(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子（１０）と、一面にて前記半導体素子（１０）と接続され前記半導体素子（１０）からの熱を伝達する金属体（２０、３０）と、前記半導体素子（１０）および前記金属体（２０、３０）を包み込んで封止する封止材（６０）とを有し、前記金属体（２０、３０）の他面が放熱面として前記封止材（６０）から露出している半導体実装体（１００）を備え、
前記金属体（２０、３０）は、金属よりなる金属部（２１、３１）、電気絶縁性の絶縁層（２２、３２）、導電性の導体層（２３、３３）が順次積層されたものであって、前記導体層（２３、３３）が前記放熱面を構成しているものであり、
冷媒（２０２）が流通する冷媒流路（２０１）を有する冷却手段（２００）が備えられており、
前記冷却手段（２００）の前記冷媒（２０２）で前記導体層（２３、３３）を冷却することにより、前記半導体実装体（１００）の熱を前記冷媒（２０２）に放熱するようになっており、
前記半導体実装体（１００）の前記放熱面と前記冷却手段（２００）との間は、熱伝導性の粘性体（３００）で埋められ、当該放熱面は、前記粘性体（３００）を介して前記冷却手段（２００）に接触しており、
前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）とが電気的に接続されている半導体装置であって、
前記半導体実装体（１００）の前記放熱面は、前記粘性体としての電気絶縁性のグリス（３００）を介して前記冷却手段（２００）に接触しており、
前記放熱面は、前記封止材（６０）における前記冷却手段（２００）との対向面よりも前記冷却手段（２００）側に突出した面として構成されており、
この突出した前記放熱面を、前記グリス（３００）を介して前記冷却手段（２００）に押し当てることで、前記放熱面における周辺部が前記冷却手段（２００）に直接接触し、この接触部分にて前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）との電気的接続がなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体素子（１０）と、一面にて前記半導体素子（１０）と接続され前記半導体素子（１０）からの熱を伝達する金属体（２０、３０）と、前記半導体素子（１０）および前記金属体（２０、３０）を包み込んで封止する封止材（６０）とを有し、前記金属体（２０、３０）の他面が放熱面として前記封止材（６０）から露出している半導体実装体（１００）を備え、
前記金属体（２０、３０）は、金属よりなる金属部（２１、３１）、電気絶縁性の絶縁層（２２、３２）、導電性の導体層（２３、３３）が順次積層されたものであって、前記導体層（２３、３３）が前記放熱面を構成しているものであり、
冷媒（２０２）が流通する冷媒流路（２０１）を有する冷却手段（２００）が備えられており、
前記冷却手段（２００）の前記冷媒（２０２）で前記導体層（２３、３３）を冷却することにより、前記半導体実装体（１００）の熱を前記冷媒（２０２）に放熱するようになっており、
前記半導体実装体（１００）の前記放熱面と前記冷却手段（２００）との間は、熱伝導性の粘性体（３００）で埋められ、当該放熱面は、前記粘性体（３００）を介して前記冷却手段（２００）に接触しており、
前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）とが電気的に接続されている半導体装置であって、
前記半導体実装体（１００）の前記放熱面は、前記粘性体としての電気絶縁性のグリス（３００）を介して前記冷却手段（２００）に接触しており、
前記導体層（２３、３３）は、前記放熱面以外の部位にて前記封止材（６０）により封止されており、
前記封止材（６０）には、前記導体層（２３、３３）における前記封止材（６０）による封止部位を前記封止材（６０）の外部に露出させる穴（６１）が設けられており、
前記冷却手段（２００）のうち前記穴（６１）を介して露出する前記導体層（２３、３３）と対向する部位には、突起（２０３）が設けられ、
前記穴（６１）を介して露出する前記導体層（２３、３３）と前記突起（２０３）とが、前記穴（６１）を介して直接接触することで、前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）との電気的接続がなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体素子（１０）と、一面にて前記半導体素子（１０）と接続され前記半導体素子（１０）からの熱を伝達する金属体（２０、３０）と、前記半導体素子（１０）および前記金属体（２０、３０）を包み込んで封止する封止材（６０）とを有し、前記金属体（２０、３０）の他面が放熱面として前記封止材（６０）から露出している半導体実装体（１００）を備え、
前記金属体（２０、３０）は、金属よりなる金属部（２１、３１）、電気絶縁性の絶縁層（２２、３２）、導電性の導体層（２３、３３）が順次積層されたものであって、前記導体層（２３、３３）が前記放熱面を構成しているものであり、
冷媒（２０２）が流通する冷媒流路（２０１）を有する冷却手段（２００）が備えられており、
前記冷却手段（２００）の前記冷媒（２０２）で前記導体層（２３、３３）を冷却することにより、前記半導体実装体（１００）の熱を前記冷媒（２０２）に放熱するようになっており、
前記半導体実装体（１００）の前記放熱面と前記冷却手段（２００）との間は、熱伝導性の粘性体（３００）で埋められ、当該放熱面は、前記粘性体（３００）を介して前記冷却手段（２００）に接触しており、
前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）とが電気的に接続されている半導体装置であって、
一端側が前記封止材（６０）の内部にて前記導体層（２３、３３）に電気的に接続され、他端側が前記封止材（６０）より突出して前記冷却手段（２００）に電気的に接続された端子部材（９０）が設けられており、
この端子部材（９０）を介して、前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）との電気的接続がなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体素子（１０）と、一面にて前記半導体素子（１０）と接続され前記半導体素子（１０）からの熱を伝達する金属体（２０、３０）と、前記半導体素子（１０）および前記金属体（２０、３０）を包み込んで封止する封止材（６０）とを有し、前記金属体（２０、３０）の他面が放熱面として前記封止材（６０）から露出している半導体実装体（１００）を備え、
前記金属体（２０、３０）は、金属よりなる金属部（２１、３１）、電気絶縁性の絶縁層（２２、３２）、導電性の導体層（２３、３３）が順次積層されたものであって、前記導体層（２３、３３）が前記放熱面を構成しているものであり、
冷媒（２０２）が流通する冷媒流路（２０１）を有する冷却手段（２００）が備えられており、
前記冷却手段（２００）の前記冷媒（２０２）で前記導体層（２３、３３）を冷却することにより、前記半導体実装体（１００）の熱を前記冷媒（２０２）に放熱するようになっており、
前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）とが電気的に接続されている半導体装置であって、
前記封止材（６０）の一部が、前記冷媒（２０２）が流れる冷媒流路（２０１）を構成することで前記冷却手段とされており、前記冷媒（２０２）を前記放熱面に直接接触して流すようになっており、
前記冷媒（２０２）は、導電性を有するものとされることによって、前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）の前記冷媒（２０２）との電気的接続がなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
半導体素子（１０）と、一面にて前記半導体素子（１０）と接続され前記半導体素子（１０）からの熱を伝達する金属体（２０、３０）と、前記半導体素子（１０）および前記金属体（２０、３０）を包み込んで封止する封止材（６０）とを有し、前記金属体（２０、３０）の他面が放熱面として前記封止材（６０）から露出している半導体実装体（１００）を備え、
前記金属体（２０、３０）は、金属よりなる金属部（２１、３１）、電気絶縁性の絶縁層（２２、３２）、導電性の導体層（２３、３３）が順次積層されたものであって、前記導体層（２３、３３）が前記放熱面を構成しているものであり、
冷媒（２０２）が流通する冷媒流路（２０１）を有する冷却手段（２００）が備えられており、
前記冷却手段（２００）の前記冷媒（２０２）で前記導体層（２３、３３）を冷却することにより、前記半導体実装体（１００）の熱を前記冷媒（２０２）に放熱するようになっており、
前記半導体実装体（１００）の前記放熱面と前記冷却手段（２００）との間は、熱伝導性の粘性体（３００、３１０）で埋められ、当該放熱面は、前記粘性体（３００、３１０）を介して前記冷却手段（２００）に接触しており、
前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）とが電気的に接続されている半導体装置であって、
前記半導体実装体（１００）の前記放熱面と前記冷却手段（２００）との間にて、前記粘性体としての導電性のグリス（３１０）と、この導電性のグリス（３１０）の外側を取り囲むように配置された前記粘性体としての電気絶縁性のグリス（３００）とが介在しており、
前記半導体実装体（１００）の前記放熱面は、これら両グリス（３００、３１０）を介して前記冷却手段（２００）に接触しており、
前記導電性のグリス（３１０）を介して、前記導体層（２３、３３）と前記冷却手段（２００）との電気的接続がなされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記半導体実装体（１００）と前記冷却手段（２００）との間にて、前記半導体実装体（１００）および前記冷却手段（２００）の少なくとも一方には、前記導電性のグリス（３１０）の外周を取り囲む溝（４００）が設けられており、
前記導電性のグリス（３１０）の拡がりが前記溝（４００）で留められていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子に放熱用の金属体を接続したものを封止材により封止してなる半導体実装体と、冷媒を流す冷却手段とを備え、金属体の放熱面を冷媒にて冷却するようにした半導体装置に関し、特に、金属体を、半導体素子の搭載面側から放熱面側に向かって絶縁層、導体層を積層してなる積層構成としたものする。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の半導体装置における半導体実装体は、半導体素子と、一面にて半導体素子と接続され半導体素子からの熱を伝達する金属体と、半導体素子および金属体を包み込んで封止する封止材とを有し、金属体の他面が放熱面として封止材から露出したものである。
【０００３】
そして、当該半導体装置には、冷媒が流通する冷媒流路を有する冷却手段が備えられ、放熱面である金属体の他面は、電気絶縁性のグリスを介して冷却手段に接触することにより、半導体実装体の熱が冷却手段に放熱されるようにされている。
【０００４】
また、一般に金属体の他面側においては、金属製の冷却器と金属体との間で短絡を防止する等の目的で電気絶縁性の絶縁層を設け、さらに、この絶縁層の保護等の目的で金属よりなる導電性の導体層で絶縁層を保護している（特許文献１、２参照）。そして、この導体層を放熱面として、上記グリスを介して冷却手段に接触させ、導体層を冷媒で冷却することで、半導体実装体の熱を冷媒に放熱するようにしている。
【０００５】
このようにして、従来では、金属体を、一面側から金属よりなる金属部、電気絶縁性の絶縁層、導電性の導体層が順次積層されたものであって、導体層が放熱面を構成しているものとしており、いわゆる絶縁層を封止体内部に有する絶縁機能を内蔵した放熱パッケージを構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３７４０１１６号公報特
【特許文献２】特開２００８−１６６３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の絶縁機能を内蔵した放熱パッケージとしての半導体装置においては、次のような問題がある。この問題について、図１５、および図１６を参照して説明する。
【０００８】
図１５は、従来の絶縁機能を内蔵した放熱パッケージとしての半導体装置、いわゆるパワー半導体パッケージとしての半導体装置を示す概略断面図であり、また、図１６は、このパワー半導体パッケージとは異なるパワーモジュールの一般的な概略断面構成を示す図である。
【０００９】
まず、図１６を参照して、パワーモジュールについて説明する。図１６に示されるように、従来の一般的なパワーモジュールは、冷却手段２００の上に、熱伝導性のグリス３００を介して放熱板Ｊ１が搭載され、その放熱板Ｊ１上にはんだＪ２を介して絶縁基板Ｊ３、はんだＪ２、半導体素子１０が順次積層されている。
【００１０】
そして、放熱板Ｊ１は、当該放熱板Ｊ１上からグリス３００を通って冷却手段２００まで貫通するボルトＪ４を介して、冷却手段２００に固定されている。
【００１１】
このように、パワーモジュールは、半導体素子１０→絶縁基板Ｊ３→放熱板Ｊ１の順に積層した構成であり、これらは熱伝導性のグリス３００を介して、冷却手段２００にボルトＪ４で締結されている。そして、このボルトＪ４により、放熱に必要な接圧と接地が確保できている。
【００１２】
しかしながら、半導体素子１０の直下が絶縁基板Ｊ３なので、半導体素子１０の発熱は高い熱流速のまま絶縁基板Ｊ３に伝熱され、絶縁基板Ｊ３での温度上昇が大きくなる（つまり、熱抵抗が大きい）という問題があった。
【００１３】
一方、図１５に示される、従来の絶縁機能を内蔵した放熱パッケージとしての半導体装置、いわゆるパワー半導体パッケージとしての半導体装置は、パワーモジュールよりも小型化および高放熱を狙ったものである。
【００１４】
図１５に示されるパワー半導体パッケージにおいて、半導体実装体１００は、半導体素子１０と、一面にて半導体素子１０と接続された金属体２０と、これらを包み込んで封止する封止材６０とを有し、放熱面である金属体２０の他面が封止材６０から露出したものである。そして、金属体２０は、一面側から金属部２１、絶縁層２２、導体層２３が順次積層されたものであって、導体層２３が放熱面を構成している。
【００１５】
そして、冷媒２０２が流通する冷媒流路２０１を有する冷却手段２００が備えられており、半導体実装体１００の導体層２３が、グリス３００を介して冷却手段２００に接触している。それにより、冷却手段２００の冷媒２０２で導体層２３が冷却されて、半導体実装体１００で発生する熱が冷媒２０２に放熱されるようになっている。
【００１６】
つまり、このものでは、半導体素子１０→金属部２１→絶縁層２２という順に積層した構成とすることで、半導体素子１０の発熱は直下の金属部２１で拡散し、低い熱流速で絶縁層２２へ伝わるため、一般的なパワーモジュールよりも放熱性が向上し、小型化が可能である。
【００１７】
ここで、たとえば半導体素子１０による高電圧のスイッチングに伴う電圧Ｖ０が、金属体２０の一面側に印加されたとき、金属体２０の絶縁層２２を寄生コンデンサとして、放熱面である金属体２０の他面、すなわち導体層２３に電圧Ｖ２が印加される。
【００１８】
具体的には、絶縁層２２を介した金属部２１と導体層２３との間の寄生容量をＣ１、グリス３００を介した冷却手段２００と導体層２３との間の寄生容量をＣ２とすると、電圧Ｖ２は、Ｖ２＝｛Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）｝・Ｖ０の式で示される。このような電圧Ｖ２が誘起されると、放熱面である導体層２３からのノイズの放射や部分放電により、たとえばグリス３００がダメージを受けることが懸念される。
【００１９】
ここで、この電圧Ｖ２の対策としては、放熱面である導体層２３を、グリス３００を介して冷却手段２００に接地することが有効と考えられる。しかし、グリス３００は絶縁性なので、導体層２３と冷却手段２００との確実な電気的接触の保証は困難である。
【００２０】
また、図１５に示されるように、一般的に、絶縁層２２の表面には金属箔等の導体層２３を設け、絶縁検査などに対応できる構成をとることが多い。そして、この導体層２３が対地電位となる冷却手段２００に接地できれば、グリス３００に電界が生じる懸念はなくなる。
【００２１】
しかし、導体層２３は、グリス３００を介して冷却手段２００と接するため、必ずしも導通が保証できるものではない。また、その導通状態を検査できる端子もなく、工程内で検査保証できる備えもない。従って、パワー半導体パッケージを用いると、上記した部分放電の懸念がある。
【００２２】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子に放熱用の金属体を接続したものを封止材により封止してなる半導体実装体と、冷媒を流す冷却手段とを備え、金属体の放熱面を冷媒にて冷却するようにした半導体装置、いわゆるパワー半導体パッケージとしての半導体装置において、金属体の放熱面を構成する導体層と冷却手段とを確実に同電位とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するため、請求項１〜６に記載の発明では、半導体素子（１０）と、一面にて半導体素子（１０）と接続され半導体素子（１０）からの熱を伝達する金属体（２０、３０）と、半導体素子（１０）および金属体（２０、３０）を包み込んで封止する封止材（６０）とを有し、金属体（２０、３０）の他面が放熱面として封止材（６０）から露出している半導体実装体（１００）を備え、金属体（２０、３０）は、金属よりなる金属部（２１、３１）、電気絶縁性の絶縁層（２２、３２）、導電性の導体層（２３、３３）が順次積層されたものであって、導体層（２３、３３）が前記放熱面を構成しているものであり、冷媒（２０２）が流通する冷媒流路（２０１）を有する冷却手段（２００）が備えられており、冷却手段（２００）の冷媒（２０２）で導体層（２３、３３）を冷却することにより、半導体実装体（１００）の熱を冷媒（２０２）に放熱するようにした半導体装置において、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）とが電気的に接続されていることを特徴とする。
【００２４】
それによれば、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）とが電気的に接続されているから、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）とを確実に同電位とすることができる。つまり、半導体実装体（１００）の放熱面である導体層（２３、３３）の表面電位を冷却手段（２００）と同じ電位にすることができる。
【００２７】
ここで、請求項１に記載の発明では、半導体実装体（１００）の放熱面は、粘性体としての電気絶縁性のグリス（３００）を介して冷却手段（２００）に接触しており、放熱面は、封止材（６０）における冷却手段（２００）との対向面よりも冷却手段（２００）側に突出した面として構成されており、この突出した放熱面を、グリス（３００）を介して冷却手段（２００）に押し当てることで、放熱面における周辺部が冷却手段（２００）に直接接触し、この接触部分にて導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）との電気的接続がなされていることを特徴とする。
【００２８】
それによれば、半導体実装体（１００）と冷却手段（２００）との対向部において、放熱面を封止材（６０）よりも突出させて、グリス（３００）を介して冷却手段（２００）に押し当てているから、導体層（２３、３３）である放熱面の一部を冷却手段（２００）に直接接触させることが容易に行え、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）との電気的接続がなされる。
【００２９】
また、請求項２に記載の発明では、半導体実装体（１００）の放熱面は、粘性体としての電気絶縁性のグリス（３００）を介して冷却手段（２００）に接触しており、導体層（２３、３３）は、放熱面以外の部位にて封止材（６０）により封止されており、封止材（６０）には、導体層（２３、３３）における封止材（６０）による封止部位を封止材（６０）の外部に露出させる穴（６１）が設けられており、冷却手段（２００）のうち穴（６１）を介して露出する導体層（２３、３３）と対向する部位には、突起（２０３）が設けられ、穴（６１）を介して露出する導体層（２３、３３）と突起（２０３）とが、穴（６１）を介して直接接触することで、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）との電気的接続がなされていることを特徴とする。
【００３０】
それによれば、導体層（２３、３３）における放熱面以外の部位にて、冷却手段（２００）の突起（２０３）を介して、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）との電気的接続がなされているから、放熱面と冷却手段（２００）との間のグリス（３００）の厚さを、突起（２０３）の高さに関係なく薄くすることができ、放熱性能を悪化させることを極力防止できる。
【００３１】
また、請求項３に記載の発明では、一端側が封止材（６０）の内部にて導体層（２３、３３）に電気的に接続され、他端側が封止材（６０）より突出して冷却手段（２００）に電気的に接続された端子部材（９０）が設けられており、この端子部材（９０）を介して、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）との電気的接続がなされていることを特徴とする。
【００３５】
また、請求項４に記載の発明では、封止材（６０）の一部が、冷媒（２０２）が流れる冷媒流路（２０１）を構成することで冷却手段とされており、冷媒（２０２）を放熱面に直接接触して流すようになっており、冷媒（２０２）は、導電性を有するものとされることによって、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）の冷媒（２０２）との電気的接続がなされていることを特徴とする。
【００３６】
また、請求項５に記載の発明では、半導体実装体（１００）の放熱面と冷却手段（２００）との間にて、粘性体としての導電性のグリス（３１０）と、この導電性のグリス（３１０）の外側を取り囲むように配置された粘性体としての電気絶縁性のグリス（３００）とが介在しており、
半導体実装体（１００）の放熱面は、これら両グリス（３００、３１０）を介して冷却手段（２００）に接触しており、
導電性のグリス（３１０）を介して、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）との電気的接続がなされていることを特徴とする。
【００３７】
それによれば、これら導電性のグリス（３１０）および電気絶縁性のグリス（３００）の両グリス（３００、３１０）を介して、半導体実装体（１００）と冷却手段（２００）とを積層したときに、これら半導体実装体（１００）と冷却手段（２００）との隙間からグリスがはみ出したとしても、そのはみ出したグリスは、外側に位置する電気絶縁性のグリス（３００）となる。
【００３８】
そのため、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）との電気的接続に導電性のグリス（３１０）を用いた場合であっても、半導体実装体（１００）および冷却手段（２００）の周辺に位置する電気部品等に対して、当該はみ出したグリスによる短絡等の懸念が回避される。
【００３９】
また、請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の半導体装置において、半導体実装体（１００）と冷却手段（２００）との間にて、半導体実装体（１００）および冷却手段（２００）の少なくとも一方には、導電性のグリス（３１０）の外周を取り囲む溝（４００）が設けられており、導電性のグリス（３１０）の拡がりが溝（４００）で留められていることを特徴とする。
【００４０】
それによれば、これら導電性のグリス（３１０）を介して、半導体実装体（１００）と冷却手段（２００）とを積層したときに、これら半導体実装体（１００）と冷却手段（２００）との隙間から、導電性のグリス（３１０）がはみ出すことを防止することが可能となる。
【００４１】
そのため、導体層（２３、３３）と冷却手段（２００）との電気的接続に導電性のグリス（３１０）を用いた場合であっても、半導体実装体（１００）および冷却手段（２００）の周辺に位置する電気部品等に対して、グリスのはみ出しによる短絡等の懸念が回避される。
【００４２】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、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一例である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ部拡大図である。
【図２】図１に示される半導体装置の概略平面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＢ部拡大図である。
【図４】第２実施形態に係る冷却手段に設けられた突起の形状のバリエーションを示す概略断面図である。
【図５】第２実施形態に係る冷却手段に設けられた突起の形状のバリエーションを示す概略断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第６実施形態に係る半導体装置の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）中のＣ−Ｃ概略断面図、（ｃ）は（ｂ）中のＤ部拡大図である。
【図１０】本発明の第７実施形態の第１の例としての半導体装置の要部を示す概略断面図である。
【図１１】本発明の第７実施形態の第２の例としての半導体装置の要部を示す概略断面図である。
【図１２】本発明の第７実施形態の第３の例としての半導体装置の要部を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態の第４の例としての半導体装置の要部を示す概略断面図である。
【図１４】本発明の第７実施形態の第５の例としての半導体装置の要部を示す概略断面図である。
【図１５】従来のパワー半導体パッケージとしての半導体装置の概略断面図である。
【図１６】従来のパワーモジュールの一般的な構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００４５】
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中の丸で囲まれたＡ部の拡大図である。また、図２は、図１に示される本半導体装置の概略平面構成を示す図であり、第２の金属体３０を省略して、モールド樹脂６０の内部に位置する構成要素を示したものである。
【００４６】
本実施形態の半導体装置は、大きくは、封止材としてのモールド樹脂６０によりパッケージとされた半導体実装体１００を、グリス３００を介して冷却手段２００に取り付けてなるものである。
【００４７】
半導体実装体１００は、半導体素子１０と、第１の金属体２０と、第２の金属体３０と、これらの間に介在する導電性接合部材としての各はんだ４０およびヒートシンクブロック５０と、さらに、封止材としてのモールド樹脂６０とを備えて構成されている。なお、図１では、半導体素子１０は１個設けられているが、半導体素子１０は２個以上設けられていてもよい。
【００４８】
半導体素子１０と第１の金属体２０の一面との間は、はんだ４０によって接合されている。また、半導体素子１０と第２の金属体３０との間には、銅やアルミなどよりなるヒートシンクブロック５０が介在しており、半導体素子１０とヒートシンクブロック５０との間、および、ヒートシンクブロック５０と第２の金属体３０との間は、はんだ４０によって接合されている。
【００４９】
このようなヒートシンクブロック５０を設けるのは、図１では、図示しないけれども、半導体素子１０からボンディングワイヤを引き出す際の当該ワイヤの高さを確保することなどのためである。つまり、ヒートシンクブロック５０は、半導体素子１０と第２の金属体３０との間の高さを確保する役割を担っている。なお、このヒートシンクブロック５０に代えて、第２の金属体３０の一部を半導体素子１０側に突出させてもよい。
【００５０】
ここで、これらはんだ４０としては、一般的に用いられている各種のはんだ、たとえば、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだや、Ｓｎ−Ａｇ系はんだなどの鉛フリーはんだを採用することができる。
【００５１】
これにより、半導体素子１０の表面、裏面において、それぞれ、第１の金属体２０、第２の金属体３０を介して放熱が行われる構成となっている。つまり、各金属体２０、３０は、その一面にて半導体素子１０と接続され、半導体素子１０からの熱を伝達する金属体として構成されている。
【００５２】
そして、第１の金属体２０においては、半導体素子１０の搭載面である一面とは反対側の他面（図１（ａ）中の下面）が放熱面として構成され、第２の金属体３０においては、半導体素子１０の搭載面である一面とは反対側の他面（図１（ａ）中の上面）が放熱面として構成されている。
【００５３】
そして、図１に示されるように、各金属体２０、３０の放熱面は、モールド樹脂６０から露出している。この封止材としてのモールド樹脂６０は、一般的なモールド材料、たとえばエポキシ樹脂などよりなるものであり、成形型を使用したトランスファーモールド法やポッティングなどによって容易に成形される。
【００５４】
具体的には、図１、図２に示されるように、半導体実装体１００においては、一対の金属体２０、３０の隙間、および、半導体素子１０の周囲部分に、モールド樹脂６０が充填され、各金属体２０、３０の放熱面がモールド樹脂６０より露出している。このように、半導体実装体１は、モールド樹脂６０により半導体素子１０および金属体２０、３０を包み込んで封止したものとして構成されている。
【００５５】
また、本実施形態では、各金属体２０、３０は、従来と同様に、半導体素子１０の搭載面である一面側から金属よりなる金属部２１、３１、電気絶縁性の絶縁層２２、３２、導電性の導体層２３、３３が順次積層されたものであって、導体層２３、３３が放熱面を構成しているものである。ここでは、各金属体２０、３０は半導体素子１０よりも大きな矩形板状をなしている。
【００５６】
ここで、金属部２１、３１は、熱伝導や電気伝導に優れた金属ならば、特に限定されるものではなく、たとえばアルミや銅、またはこれらを含む合金などよりなる。また、絶縁層２２、３２は、アルミナなどよりなり、溶射により成膜されたものや、成形されたシートを貼り付けたものなどよりなる。また、導体層２３、３３は銅などの箔を貼り付けたものよりなる。このような積層構成の金属体２０、３０は、上記特許文献１等と同様の方法で作成される。
【００５７】
そして、冷却手段２００は、ステンレスや銅、アルミなどよりなる冷媒流路２０１を有し、その内部を冷媒２０２が流通するものとして構成されている。また、この冷却手段２００は、冷媒２０２を流通させるためのポンプやパイプなどの図示しない構成要素を備えており、これらポンプやパイプは冷媒流路２０２に連結されて一体化されている。ここで、冷媒２０２とは、水や油などの流体である。
【００５８】
そして、半導体実装体１００における各金属体２０、３０の放熱面すなわち導体層２３、３３が冷媒により冷却されるようになっている。具体的には、各導体層２３、３３を、図１（ｂ）に示されるように、電気絶縁性のグリス３００を介して、冷却手段２００の冷媒流路２０１の外壁面に接触させる。
【００５９】
具体的には、放熱面である導体層２３、３３は、グリス３００を介して冷却手段２００の構成要素である冷媒流路２０１の外面に接触する。このグリス３００は、一般的なもので、たとえばシリコーン樹脂などよりなるものである。
【００６０】
ここで、半導体実装体１００と冷却手段２００とは、締結などにより固定される。これにより、冷却手段２００の冷媒２０２によって導体層２３、３３が冷却されるから、半導体実装体１００にて発生する熱は、冷媒２０２に放熱される。
【００６１】
また、半導体素子１０としては、特に限定されるものではないが、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やサイリスタ等のパワー半導体素子から構成することができる。また、具体的には、この半導体素子１０の形状は、図１、図２に示されるように、たとえば矩形板状とすることができる。
【００６２】
ここでは、半導体素子１０における第２の金属体３０側の面である表面はトランジスタなどの素子が形成された素子形成面であり、第１の金属体２０側の面である裏面はそのような素子が形成されていない非形成面となっている。また、本実施形態の半導体素子１０の表面および裏面には、図示しない電極が形成されている。そして、この電極は、各はんだ４０と電気的に接続されている。
【００６３】
このように、本実施形態においては、半導体素子１０の裏面側の電極は、第１の金属体２０に対して、はんだ４０を介して電気的に接続され、半導体素子１０の表面側の電極は、はんだ４０を介して第２の金属体３０に対して、電気的に接続されている。
【００６４】
ここで、図２に示されるように、主電流電極端子７０は、第１の金属体２０と一体に成形されたものであり、モールド樹脂６０内に位置する第１の金属体２０の端部からモールド樹脂６０の外部へ突出するように設けられている。ここでは、矩形板状をなすモールド樹脂６０の１つの側面にて主電流電極端子７０が突出している。
【００６５】
また、図示しないが、第２の金属体３０についても、第１の金属体２０と同様に、主電流電極端子が設けられている。この第２の金属体３０の主電流電極端子も、第１の金属体２０の主電流電極端子７０と同じモールド樹脂６０の１つの側面にて突出するとともに、その突出方向も同様とされたものである。
【００６６】
これら主電流電極端子７０は、半導体素子１０の取り出し電極などとして機能するものであり、この主電流電極端子７０を介して、本半導体装置はバスバーなどの外部配線部材等との接続が可能になっている。
【００６７】
このように、各金属体２０、３０は、それぞれ、電極と放熱体とを兼ねる金属体として構成されており、本半導体装置において半導体素子１０からの放熱を行う機能を有するとともに半導体素子１０の電極としての機能も有する。なお、導電性接合部材としては、上記はんだ４０の代わりに導電性接着剤などを用いても、半導体素子１０と各金属体２０、３０との熱的・電気的な接続が、同様に可能であることは明らかである。
【００６８】
また、図２に示されるように、本半導体装置には、制御端子８０が設けられている。この制御端子８０は、半導体素子１０の周囲に設けられたリードフレーム等からなるもので、この制御端子８０はモールド樹脂６０により封止固定されるとともに、先端部がモールド樹脂６０の外部へ突出して設けられている。
【００６９】
ここでは、制御端子８０は、矩形板状をなすモールド樹脂６０の側面のうち主電流電極端子７０が突出する側面とは反対側に位置する側面にて突出している。そして、この制御端子８０の先端部には、たとえば外部の制御回路基板などが電気的に接続されるようになっており、それによって本半導体装置と当該制御回路基板とが電気的に接続されるものである。
【００７０】
この制御端子８０は、半導体素子１０の表面に設けられている信号電極（たとえばゲート電極）などと導通する端子、たとえばゲート端子やエミッタ端子などを構成しているものである。そして、図２では示さないが、この制御端子８０と半導体素子１０とは、モールド樹脂６０内部にてボンディングワイヤなどによって結線され、電気的に接続されている。
【００７１】
このような本実施形態の半導体装置においては、各金属体２０、３０について、導体層２３、３３と冷却手段２００とを電気的に接続して、これら両者を同電位とする構成が構築されている。以下、この構成を同電位構成ということにする。
【００７２】
次に、第１の金属体２０における同電位構成について、主として図１（ｂ）を参照して述べることとする。なお、第２の金属体３０の同電位構成も、第１の金属体２０と同様である。つまり、図１（ａ）中における第１の金属体２０のＡ部と対向する第２の金属体３０の部分についても、同一の同電位構成とされている。
【００７３】
そこで、図１（ｂ）には、第２の金属体３０に関する部位を括弧付きの符号として、第１の金属体２０に関する部位の符号の後に記してある。なお、図１（ａ）に示される両金属体２０、３０の配置関係より、実際には、図１（ｂ）の第２の金属体３０に関する部位は、図１（ｂ）に示される第１の金属体２０に関する部位を、上下反転したものとなることは言うまでもない。
【００７４】
図１（ｂ）に示されるように、本実施形態では、同電位構成は、端子部材９０により構成されている。この端子部材９０は銅やアルミなどの電気伝導性を有するものよりなる。そして、端子部材９０は、一端側がモールド樹脂６０の内部にて導体層２３に電気的に接続され、他端側がモールド樹脂６０より突出して冷却手段２００に電気的に接続されているものである。
【００７５】
ここで、端子部材９０の一端側と導体層２３との接続は、溶接、はんだ、ろう付けなどで行うことができる。また、端子部材９０と導体層２３とを一体成形されたものとし、導体層２３の周辺部の一部を突出させた部位を端子部材９０としてもよい。
【００７６】
また、端子部材９０の他端側は、冷却手段２００の構成要素である冷媒流路２０１の外面に対して、はんだ、溶接、接着、ねじ止め等により電気的に接続する。また、当該他端側は、配線等を介して、冷却手段２００の構成要素である上記ポンプやパイプなどに電気的に接続するようにしてもよい。
【００７７】
そして、この端子部材９０を介して、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされている。それにより、導体層２３と冷却手段２００とは同電位とされる。ここで、冷却手段２００を接地しておけば、導体層２３も接地される。
【００７８】
ここでは、端子部材９０は、第１の金属体２０の導体層２３における端面から延びてモールド樹脂６０の側面より突出しているが、端子部材９０は、導体層２３におけるモールド樹脂６０からの露出面すなわち放熱面以外の面より引き出されていればよい。
【００７９】
また、図２に示されるように、端子部材９０は、モールド樹脂６０の外面のうち上記主電流電極端子７０が引き出されている面、および、上記制御端子８０が引き出されている面の両面とは、異なる面にて引き出されている。
【００８０】
具体的には、矩形板状のモールド樹脂６０のうち当該主電流電極端子７０および制御端子８０が引き出されている側面以外の側面にて、端子部材９０が引き出されている。こうすることにより、モールド樹脂６０の外面における端子部材９０と当該両端子７０、８０との沿面距離が確保しやすくなり、半導体実装体１００の小型化に有効である。
【００８１】
次に、上記した構成の半導体装置の製造方法について、簡単に説明する。まず、第１の金属体２０の一面に、半導体素子１０はんだ付けし、続いて、必要に応じて、半導体素子１０と制御端子８０とをワイヤボンディングする。次いで、半導体素子１０の上にヒートシンクブロック５０および第２の金属体をはんだ付けする。
【００８２】
しかる後、トランスファーモールド法やポッティングなどにより、両金属体２０、３０の隙間および外周部等にモールド樹脂６０を充填する。こうして、上記半導体実装体１００が完成する。その後は、この半導体実装体１００を、グリス３００を介して冷却手段２００に接続する。こうして、絶縁機能を内蔵した放熱パッケージとしての本半導体装置が完成する。
【００８３】
ところで、本実施形態によれば、端子部材９０を介して、両金属体２０、３０の導体層２３、３３と冷却手段２００とが電気的に接続されているから、導体層２３、３３と冷却手段２００とを確実に同電位とすることができる。
【００８４】
なお、端子部材９０は、ひとつの導体層２３、３３につき、１個に限定されるものではなく、２個以上あってもよい。それによれば、一つの導体層２３、３３を複数個の端子部材９０を介して冷却手段２００に接続することになるから、当該接続の信頼性が向上するという利点がある。
【００８５】
また、本第１実施形態は、たとえば半導体素子１０の表面側には金属体を設けず、裏面側のみに金属体２０を設けて当該裏面側からのみ放熱を行う片面放熱型の半導体装置に対しても適用可能である。その場合、当該裏面側の金属体２０の導体層２３に上記端子部材９０を設けて、それによる同電位構成を構築するようにすればよい。
【００８６】
（第２実施形態）
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中の丸で囲まれたＢ部の拡大図である。ここでは、本実施形態と上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。
【００８７】
上記第１実施形態では、上記図１に示されるように、半導体素子１０の表裏両面側に金属体２０、３０を設けて、半導体素子１０の両面から放熱を行う両面放熱型の半導体装置であった。それに対して、本実施形態は、図３に示されるように、半導体素子１０の裏面側のみに金属体２０を設けて当該裏面側からのみ放熱を行う片面放熱型の半導体装置である。
【００８８】
この本実施形態の半導体装置は、上記図１に示される半導体装置において、半導体素子１０の表面側のはんだ４０、ヒートシンクブロック５０、第２の金属体３０、冷却手段２００を省略し、当該半導体素子１０の表面側をモールド樹脂６０で封止した構成に相当するものである。
【００８９】
そして、本実施形態においても、図３（ｂ）に示されるように、半導体実装体１００の放熱面である導体層２３は、電気絶縁性のグリス３００を介して冷却手段２００に接触している。ここでは、導体層２３は、グリス３００を介して冷却手段２００の冷媒流路２０１の外壁面に接触している。
【００９０】
ここで、本実施形態の半導体装置においても、金属体２０において、導体層２３と冷却手段２００とを電気的に接続して、これら両者を同電位とする同電位構成が構築されている。本実施形態では、上記第１実施形態のように端子部材９０による同電位構成ではなく、当該端子部材に代えて突起２０３による同電位構成を形成している。
【００９１】
ここでは、図３（ｂ）に示されるように、冷却手段２００における冷媒流路２０１の外壁において、当該外壁側からこれに対向する導体層２３に突出する突起２０３を設ける。このような突起２０３は、プレス加工などにより容易に形成される。この突起２０３は、たとえば円錐形状やピラミッド形状のものにできる。
【００９２】
そして、この突起２０３は、冷却手段２００側からグリス３００を貫通して導体層２３側まで突出し、導体層２３に直接接触している。そして、この突起２０３を介して、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされ、当該両者２３、２００が同電位とされている。
【００９３】
このような構成は、半導体実装体１００を、グリス３００を介して冷却手段２００に搭載するときに、半導体実装体１００を冷却手段２００に押し付けるように荷重を加えることにより形成される。それにより、突起２０３がグリス３００を押しのけて、突起２０３の先端部が導体層２３に直接接触する。
【００９４】
なお、この突起は、冷却手段２００側ではなく、逆に導体層２３側に設けてもよい。たとえば金属体２０の金属部２１の放熱面側をプレス等により突出させることにより、その突出部分にて導体層２３が突起を形成する。そして、この場合、導体層２３の突起は、放熱面から突出してグリス３００を貫通し、その先端部が冷却手段２００に接触するものとされる。
【００９５】
つまり、本実施形態の突起は、冷却手段２００および導体層２３のいずれか一方に設けられ、当該一方側からグリス３００を貫通して他方側まで突出するものであればよい。そして、冷却手段２００自身の一部、または、導体層２３自身の一部を突起とすることで、グリス３００を貫通する当該突起を介して、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続が行われるのである。
【００９６】
こうして、本実施形態によれば、突起２０３を介して、金属体２０の導体層２３と冷却手段２００とが電気的に接続されているから、導体層２３と冷却手段２００とを確実に同電位とすることができる。
【００９７】
また、図３（ｂ）に示されるように、本実施形態では、さらに、一端側がモールド樹脂６０の内部にて導体層２３に電気的に接続され、他端側がモールド樹脂６０より突出する端子部材９０が設けられている。この端子部材９０は、上記第１実施形態の端子部材９０において、モールド樹脂６０より突出する他端側が冷却手段２００と接続されていないものに相当する。
【００９８】
このような端子部材９０を設けることにより、当該端子部材９０を介して、導体層２３と冷却手段２００との突起２０３による電気的接続を検査することができる。たとえば、モールド樹脂６０の外部にて端子部材９０と冷却手段２００との導通を検査すれば、導体層２３と突起２０３との電気的接続が確保されているかどうかの確認を容易に行うことができる。
【００９９】
次に、本実施形態における突起２０３の他の例について、図４、図５を参照して述べておく。図４、図５は、それぞれ本実施形態に係る冷却手段２００に設けられた突起２０３の形状のバリエーションを示す概略断面図である。
【０１００】
図４に示される例では、突起２０３を、いわゆるおろし金の突起形状としたものである。具体的には、この突起２０３は、半球のドームをさらに半分に切断し、その切断部分にてドーム内空間を開口させたような形状である。この場合、突起２０３は、その突出先端部と根元部との間に開口する凹部２０３ａを有するものとなる。
【０１０１】
そして、この場合、半導体実装体を、グリス３００を介して冷却手段２００に接続するとき、半導体実装体と冷却手段２００とが放熱面に平行な方向に相対的に往復運動するように、これら両者を摺動させながら、半導体実装体を冷却手段２００に押し付けるようにする。
【０１０２】
そうすると、突起２０３の先端に残存するグリス３００が、図４中の折れ曲がり矢印に示されるように、突起２０３の凹部２０３ａに入り込んで収容されるから、確実に突起２０３を導体層２３に直接接触させることができ、好ましい。
【０１０３】
また、この図４に示される突起２０３と同様の凹部２０３ａを有し、これも同様の効果を奏する突起２０３としては、図５に示されるような傘形状をなし、その傘の内側を凹部２０３ａとする突起２０３であってもよい。
【０１０４】
この場合も、半導体実装体を、グリス３００を介して冷却手段２００に接続するとき、グリス３００を突起２０３の凹部２０３ａに収容できるから、確実に突起２０３を導体層２３に直接接触させることができ、好ましい。
【０１０５】
なお、これら各突起２０３の構成は、上記図１に示した両面放熱型の半導体装置にも適用できる。その場合には、上記図１中の両方の金属体２０、３０において、上記端子部材９０を省略し、導体層２２、３３と冷却手段２００との間に、グリス３００を貫通する上記突起２０３を設けてやればよい。
【０１０６】
また、この両面放熱型の場合も、当該突起は冷却手段２００側ではなく、導体層２３、３３側に設けたもの、すなわち、導体層２３、３３を突出させたものであってもよいことはもちろんである。
【０１０７】
また、片面放熱型、両面放熱型を問わず、当該突起２０３は、ひとつの導体層２３、３３につき、１個に限定されるものではなく、２個以上あってもよい。それによれば、一つの導体層２３、３３を複数個の突起２０３を介して冷却手段２００に接続することになるから、当該接続の信頼性が向上するという利点がある。
【０１０８】
また、本実施形態においては、半導体実装体１００を、グリス３００を介して冷却手段２００に搭載するときに、突起２０３がグリス３００を押しのけて、突起２０３が導体層２３に接触するが、このとき、導体層２３と冷却手段２００とに大電流を印加することで、突起２０３を導体層２３に溶着させるようにしてもよい。
【０１０９】
それにより、突起２０３と導体層２３との導通がより確実となる。なお、この溶着については、導体層２３側に突起を設けた場合についても、同様に実現できることはもちろんである。
【０１１０】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図である。
【０１１１】
本実施形態は、上記第１実施形態に対して、端子部材９０を省略し、その代わりに各金属体２０、３０の導体層２３、３３により構成される放熱面の構成を変形することで、導体層２３と冷却手段２００とを電気的に接続して、これら両者を同電位とする同電位構成を構築したものである。
【０１１２】
なお、図６では、上記図１における第１の金属体２０について本実施形態の構成を適用した例を示しているが、上記図１における第２の金属体３０についても、これと同様の構成が適用されている。そこで、本実施形態においても、図６には、第２の金属体３０に関する部位を括弧付きの符号として、第１の金属体２０に関する部位の符号の後に記してある。
【０１１３】
図６に示されるように、本実施形態においても、半導体実装体１００における金属体２０の放熱面である導体層２３は、電気絶縁性のグリス３００を介して冷却手段２００に接触している。ここでは、導体層２３は、グリス３００を介して冷却手段２００の冷媒流路２０１の外壁面に接触している。
【０１１４】
ここで、本実施形態においては、独自の構造として、金属体２０の導体層２３である放熱面が、モールド樹脂６０における冷却手段２００との対向面よりも冷却手段２００側に突出した面として構成されている。
【０１１５】
そして、本実施形態では、この突出した放熱面を、グリス３００を介して冷却手段２００、ここでは、冷却手段２００の構成要素である冷媒流路２０１の外面に押し当てることで、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされ、上記同電位構成が実現されている。
【０１１６】
それによれば、半導体実装体１００と冷却手段２００との対向部において、放熱面をモールド樹脂６０よりも冷却手段２００側に突出させて、グリス３００を介して冷却手段２００に押し当てているから、導体層２３である放熱面の一部を、グリス３００を押しのけて冷却手段２００に直接接触させることが容易に行える。
【０１１７】
具体的には、図６に示されるように、冷却手段２００における冷媒流路２０１の壁は、放熱面の押し込みにより若干凹むが、このとき導体層２３における放熱面における周辺部が冷却手段２００に直接接触する、そして、この接触部分にて導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされる。
【０１１８】
こうして、本実施形態によれば、モールド樹脂６０より突出する放熱面により、金属体２０の導体層２３と冷却手段２００とが電気的に接続されているから、導体層２３と冷却手段２００とを確実に同電位とすることができる。また、両面放熱型の半導体装置においては、第２の金属体３０側について、図６と同様の構成を適用すれば、もちろん同様の効果が期待される。
【０１１９】
また、図６では、モールド樹脂６０より突出する導体層２３の先端面は平坦であり、たとえば矩形面とされているため、その平坦面の外郭部分が冷却手段２００に直接接触するが、当該突出により本実施形態の効果が発揮されるのであるから、モールド樹脂より突出する導体層２３の形状については、図６の形状に限定されるものではない。
【０１２０】
また、本実施形態においても、図示しないが、上記第２実施形態の図３（ｂ）と同様に、一端側がモールド樹脂６０の内部にて導体層２３に電気的に接続され、他端側がモールド樹脂６０より突出する端子部材９０を設けてもよい。
【０１２１】
このような端子部材９０を設けることにより、当該端子部材９０を介して、導体層２３と冷却手段２００との接触による電気的接続を検査することができ、当該電気的接続の確認が容易に行える。
【０１２２】
また、本実施形態は、両面放熱型の半導体装置ではなく、上記図３に示したような片面放熱型の半導体装置についても適用できることはもちろんである。この場合、半導体素子１０の片面側に設けられた金属体について、図６と同様の構成を適用すればよい。
【０１２３】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図である。
【０１２４】
本実施形態は、上記第２実施形態と同様に、冷却手段２００に突起２０３を設け、この突起２０３によって同電位構成を形成するものであるが、その突起２０３をグリス３００の無い部分に設けたところが相違するものである。以下、本実施形態について、上記第２実施形態との相違点を中心に述べる。
【０１２５】
図７に示されるように、本実施形態においても、半導体実装体１００の放熱面は、電気絶縁性のグリス３００を介して冷却手段２００、ここでは、冷却手段２００の構成要素である冷媒流路２０１の外面に接触している。
【０１２６】
ここで、本実施形態では、図７に示されるように、金属体２０の導体層２３は、放熱面以外の部位にてモールド樹脂６０により封止されている。そして、モールド樹脂６０には、導体層２３におけるモールド樹脂６０による封止部位をモールド樹脂６０の外部に露出させる穴６１が設けられている。この穴６１は、導体層２３からモールド樹脂６０の外面まで貫通する孔であり、たとえばモールド樹脂６０の成形金型の形状調整により容易に形成される。
【０１２７】
そして、冷却手段２０の構成要素である冷媒流路２０１の外面のうち穴６１を介して露出する導体層２３の部分と対向する部位には、上記第２実施形態と同様、導体層２３側に突出する突起２０３が設けられている。
【０１２８】
そして、穴６１を介して露出する導体層２３の部分と突起２０３とが、穴６１を介して直接接触することで、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされ、両者は突起２０３を介して同電位とされている。ここで、突起２０３としては、上記図３〜図５に示した形状のものとすることができ、穴６１は、これら突起２０３が通過する形状であればよく、たとえば丸穴や角穴などでよい。
【０１２９】
それによれば、導体層２３における放熱面以外の部位にて、冷却手段２００の突起２０３を介して、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされているから、放熱面と冷却手段２００との間のグリス３００の厚さを、突起２０３の高さに関係なく薄くすることができ、結果として放熱性能を悪化させることを極力防止できる。
【０１３０】
たとえば、上記第２実施形態のように、導体層２０３のうちモールド樹脂６０より露出し且つグリス３００が付着する放熱面にて突起２０３を設けた場合、その突起２０３の高さと同等のグリス３００の厚さが必要となる。そのため、突起２０３の高さによっては、必要以上にグリス３００が厚くなってしまい、放熱性能の悪化につながる可能性があるが、本実施形態によれば、そのような問題が回避される。
【０１３１】
こうして、本実施形態によれば、突起２０３を介して、金属体２０の導体層２３と冷却手段２００とが電気的に接続されているから、導体層２３と冷却手段２００とを確実に同電位とすることができる。
【０１３２】
また、本実施形態においても、図示しないが、上記第２実施形態と同様、導体層２３と冷却手段２００との突起２０３による電気的接続を検査するための端子部材を設けてもよく、それによれば、当該端子部材９０を介して、当該電気的接続の確認が容易に行うことができる。
【０１３３】
また、本実施形態の突起２０３も、ひとつの導体層２３につき、１個に限定されるものではなく、２個以上あってもよい。それによれば、一つの導体層２３を複数個の突起２０３を介して冷却手段２００に接続することになるから、当該接続の信頼性が向上するという利点がある。
【０１３４】
また、この本実施形態の構成は、上記第２実施形態と同様に、片面放熱型の半導体装置に限定するものではなく、上記図１に示したような両面放熱型の半導体装置であっても、適用が可能であることは言うまでもない。たとえば上記図１中の両方の金属体２０、３０において、上記端子部材９０を省略し、両金属体２０、３０のそれぞれについて、上記図７に示される構成としてやればよい。
【０１３５】
（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態に係る半導体装置の概略断面構成を示す図である。
【０１３６】
本実施形態は、上記第１実施形態において、端子部材９０を省略し、その代わりにグリス３１０を導電性のものとすることで、このグリス３１０を介して、導体層２３と冷却手段２００とを電気的に接続して、これら両者を同電位とする同電位構成を構築したものである。
【０１３７】
なお、図８では、上記図１における第１の金属体２０について本実施形態の構成を適用した例を示しているが、上記図１における第２の金属体３０についても、これと同様の構成が適用されているから、図８には、第２の金属体３０に関する部位を括弧付きの符号として、第１の金属体２０に関する部位の符号の後に記してある。
【０１３８】
図８に示されるように、本実施形態では、半導体実装体１００の放熱面は、導電性のグリス３１０を介して冷却手段２００、ここでは冷却手段２００の構成要素である冷媒流路２０１の外面に接触しており、このグリス３１０を介して、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされている。このような導電性のグリス３１０としては、たとえば銅や銀などの導電性のフィラーを樹脂に含有させたものが挙げられる。
【０１３９】
こうして、本実施形態によれば、グリス３１０を介して、金属体２０の導体層２３と冷却手段２００とが電気的に接続されているから、導体層２３と冷却手段２００とを確実に同電位とすることができる。
【０１４０】
また、図８に示されるように、本実施形態においても、上記第２実施形態と同様、導体層２３と冷却手段２００との突起２０３による電気的接続を検査するための端子部材９０を設ければ、この端子部材９０を介して、導体層２３と冷却手段２００とのグリス３１０による電気的接続を検査することができ、当該電気的接続の確認が容易に行える。
【０１４１】
また、図示しないが、本実施形態においては、放熱面の直下に位置する冷却手段２００の面において、導電性のグリス３１０を中央部に配置し、その周辺部を囲むように電気絶縁性の上記グリス３００を配置するようにしてもよい。この場合、半導体実装体１００からグリスがはみ出しても、そのはみ出したグリス３００は電気絶縁性であるから、隣の部品との短絡防止という点で好ましい。
【０１４２】
なお、図８では、上記図１における第１の金属体２０について本実施形態の構成を適用した例を示しているが、上記図１における第２の金属体３０についても、これと同様の構成を適用できることは言うまでもない。さらには、上記した両面放熱型の半導体装置ではなく、片面放熱型の半導体装置についても、これと同様の構成を適用できることは明らかである。
【０１４３】
（第６実施形態）
図９は、本発明の第６実施形態に係る半導体装置を示す図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）中の一点鎖線Ｃ−Ｃに沿った概略断面図、（ｃ）は（ｂ）中の丸で囲まれたＤ部の拡大図である。
【０１４４】
本実施形態の半導体装置は、上記第１実施形態に示した両面放熱型の半導体装置において、封止材であるモールド樹脂６０、６２の一部６２が、冷媒２０２が流れる冷媒流路２０１を構成しているものである。
【０１４５】
具体的には、図９に示されるように、モールド樹脂６０、６２は、半導体素子１０および金属体２０、３０を封止する封止部６０と、封止部６０の周囲にて放熱面を取り囲むように環状に設けられた壁部６２とよりなる。そして、封止部６０と壁部６２との間の部位に、貫通穴としての冷媒流路２０１が構成されている。
【０１４６】
なお、このようなモールド樹脂６０、６２の構成は、型成形などにより容易に実現できる。また、モールド樹脂６０、６２において、封止部６０と壁部６２とは別体であってもよく、たとえば封止部６０を形成した後に、壁部６２を２次成形や接着などにより封止部６０に一体化させるようにしてもよい。
【０１４７】
そして、この冷媒流路２０１を冷媒２０２が流通することにより、図９（ｃ）に示されるように、放熱面である導体層２３、３３に冷媒２０２が直接接触し、当該放熱面の冷却が行われるようになっている。
【０１４８】
なお、図９（ｃ）は、第２の金属体３０について示しているが、第１の金属体２０についても第２の金属体３０側と同一構成であるから、図９（ｃ）には、第１の金属体２０に関する部位を括弧付きの符号として、第２の金属体３０に関する部位の符号の後に記してある。
【０１４９】
ここにおいて、本実施形態では、冷媒２０２を、導電性を有するものとしている。それにより、両金属体２０、３０の導体層２３、３３と冷却手段２００の冷媒２０２との電気的接続がなされている。ここで、導電性の冷媒２０２としては、水でもよいが、水は導電性ではあるものの電気分解するので好ましくなく、たとえば液体ナトリウムや、水銀などが好ましいものとして挙げられる。
【０１５０】
こうして、本実施形態によれば、両金属体２０、３０の導体層２３、３３と冷却手段２００の冷媒２０２とが電気的に接続されているから、導体層２３、３３と冷却手段２００とを確実に同電位とすることができる。
【０１５１】
また、図９に示されるように、本実施形態では、さらに、一端側がモールド樹脂６０の内部にて導体層３３に電気的に接続され、他端側がモールド樹脂６０より突出する端子部材９０が設けられている。ここでは、第２の金属体３０側の導体層３３について端子部材９０を設けた構成を示しているが、第１の金属体２０の導体層２３についても、図示しないが、同じように端子部材９０が設けられている。
【０１５２】
この端子部材９０は、上記第１実施形態の端子部材９０において、モールド樹脂６０より突出する他端側が冷却手段２００と接続されていないものに相当する。そして、モールド樹脂６０の外部にて、端子部材９０と冷却手段２００におけるポンプなどの導体部分との導通を検査することにより、導体層２３、３３と冷媒２０２との電気的接続を検査することができ、当該電気的接続の確認が容易に行える。
【０１５３】
さらに、本実施形態は、両面放熱型の半導体装置ではなく、片面放熱型の半導体装置についても、これと同様の構成を適用できることは明らかである。
【０１５４】
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態は、導電性のグリス３１０により、半導体実装体１００の放熱面である導体層２３と冷却手段２００との間を埋める構成において、導電性のグリス３０１のはみ出しによる周辺部品の短絡防止を目的として成されるものである。
【０１５５】
図１０は本実施形態の第１の例、図１１は本実施形態の第２の例、図１２は本実施形態の第３の例、図１３は本実施形態の第４の例、図１４は本実施形態の第５の例をそれぞれ示す概略断面図である。
【０１５６】
ここで、図１０〜図１４のそれぞれにおいて、（ａ）は半導体実装体１００と冷却手段２００との組み付け前の状態を示し、（ｂ）は当該組み付け後の状態を示している。
【０１５７】
なお、図１０〜図１４においては、半導体素子１０の一方の面に位置する金属体２０のみを示しているが、上記第１実施形態のように、半導体素子１０の他方の面にも金属体３０がある場合には、この金属体３０、さらには当該金属体３０の放熱面である導体層３３についても、同様の構成を採用できることはもちろんである。
【０１５８】
まず、図１０（ｂ）に示される第１の例の構成は、半導体実装体１００の放熱面である導体層２２と冷却手段２００との間にて、粘性体としての導電性のグリス３１０と、この導電性のグリス３１０の外側全周を取り囲むように配置された粘性体としての電気絶縁性のグリス３００とが介在しているものである。
【０１５９】
そして、半導体実装体１００の放熱面である導体層２３は、これら両グリス３００、３１０を介して冷却手段２００に接触しており、導電性のグリス３１０を介して、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされている。
【０１６０】
この構成は、たとえば、図１０（ａ）に示されるように、半導体実装体１００における導体層２３の全面に電気絶縁性のグリス３００を配置し、当該導体層２３の中央部に導電性のグリス３１０を配置した状態で、これらグリス３００、３１０を介して、半導体実装体１００を冷却手段２００に重ねて押し付けることにより、図１０（ｂ）に示される構成としてできあがる。
【０１６１】
この場合、両グリス３００、３１０を介して、半導体実装体１００と冷却手段２００とを積層したときに、これら半導体実装体１００と冷却手段２００との隙間からグリスがはみ出したとしても、そのはみ出したグリスは、導電性のグリス３１０ではなく、その外側に位置する電気絶縁性のグリス３００となる。
【０１６２】
そのため、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続に導電性のグリス３１０を用いた場合であっても、半導体実装体１００および冷却手段２００の周辺に位置する電気部品等に対して、当該はみ出したグリスが付着したとしても、短絡等の懸念を回避することができる。
【０１６３】
次に、図１１（ｂ）に示される第２の例においても、図１１（ａ）の状態から、導電性のグリス３１０および電気絶縁性のグリス３００を介して半導体実装体１００を冷却手段２００に押し付けることで、上記第１の例と同様、半導体実装体１００の導体層２２と冷却手段２００との間にて、導電性のグリス３１０と、その外側を取り囲むように配置された電気絶縁性のグリス３００とが介在し、導体層２３は、これら両グリス３００、３１０を介して冷却手段２００に接触しており、導電性のグリス３１０を介して、導体層２３と冷却手段２００との電気的接続がなされている。
【０１６４】
この場合にも、中心部に導電性のグリス３１０、その外周部に電気絶縁性のグリス３００というグリスの配置を採ることで、上記第１の例と同様、半導体実装体１００および冷却手段２００の周辺に位置する電気部品等に対して、当該はみ出したグリスが付着したとしても、短絡等の懸念が回避される。
【０１６５】
さらに、この第２の例では、半導体実装体１００と冷却手段２００との間にて、半導体実装体１００に、導電性のグリス３１０の外周を取り囲む溝４００を設け、導電性のグリス３１０の拡がりを溝４００で留めている。具体的には、半導体実装体１００におけるモールド樹脂６０に対して、金型成形等により、導電性のグリス３１０を囲むように環状の溝４００を設ける。
【０１６６】
そうすると、電気絶縁性のグリス３００および導電性のグリス３１０を介して、半導体実装体１００と冷却手段２００とを積層したときに、拡がろうとする導電性のグリス３１０が溝４００に入り込むため、半導体実装体１００と冷却手段２００との隙間から、導電性のグリス３１０がはみ出すことを防止できる。
【０１６７】
そのため、半導体実装体１００の導体層２３と冷却手段２００との電気的接続に導電性のグリス３１０を用いた場合であっても、半導体実装体１００および冷却手段２００の周辺に位置する電気部品等に対して、グリスのはみ出しによる短絡等の懸念を回避することができる。
【０１６８】
なお、この溝４００は、導電性のグリス３１０の外側全周を取り巻くように連続して設けられることが望ましいが、半導体実装体１００の形状などによって、当該グリスがはみ出すまでの距離が長い部位が存在する場合には、当該距離が長い部位には溝４００を設けずに、溝４００としては断続的なものであってもよい。
【０１６９】
次に、図１２に示される第３の例は、上記第２の例とは逆に、半導体実装体１００と冷却手段２００との間にて、冷却手段２００に、導電性のグリス３１０の外周を取り囲む溝４００を設け、導電性のグリス３１０の拡がりを溝４００で留めている。
【０１７０】
具体的には、冷却手段２００に対して、プレス加工等により、導電性のグリス３１０を囲むように環状の溝４００を設ける。この場合も、半導体実装体１００と冷却手段２００との隙間から、導電性のグリス３１０がはみ出すことを防止でき、仮にグリスのはみ出しが生じても、電気絶縁性のグリス３００のはみ出しに留めることが可能となる。
【０１７１】
次に、図１３に示される第４の例は、上記第２の例において、半導体実装体１００の放熱面である導体層２２と冷却手段２００との間に介在させるグリスを、上記第５実施形態と同様に、導電性のグリス３１０のみとして、この導電性のグリス３１０を介して、導体層２３と冷却手段２００とを電気的に接続して、これら両者２３、２００を同電位とするものである。
【０１７２】
この場合も、この第４の例では、図１３に示されるように、第２の例と同様に、半導体実装体１００と冷却手段２００との間にて、半導体実装体１００に上記溝４００を設け、導電性のグリス３１０の拡がりを溝４００で留めている。そのため、半導体実装体１００と冷却手段２００との隙間から、導電性のグリス３１０がはみ出すことを防止することができる。
【０１７３】
次に、図１４に示される第５の例では、上記第４の例において、当該第４の例とは逆に、半導体実装体１００と冷却手段２００との間にて、冷却手段２００に、導電性のグリス３１０の外周を取り囲む溝４００を設け、導電性のグリス３１０の拡がりを溝４００で留めている。
【０１７４】
そして、この場合も、半導体実装体１００と冷却手段２００との隙間から、導電性のグリス３１０がはみ出すことを防止でき、半導体実装体１００および冷却手段２００の周辺に位置する電気部品等に対して、グリスのはみ出しによる短絡等の懸念を回避することができる。
【０１７５】
なお、導電性のグリス３１０の外周を取り囲み、その拡がりを留める溝４００は、半導体実装体１００と冷却手段２００との間にて、半導体実装体１００および冷却手段２００の両方に設けられていてもよいことはもちろんである。
【０１７６】
また、本実施形態の溝４００は、上記各実施形態のうち電気絶縁性のグリス３００または導電性のグリス３１０を用いた構成について、組み合わせて適用可能であることは言うまでもない。
【０１７７】
（他の実施形態）
なお、上記した導体層２３、３３は、グリス３００、３１０を介して接触する冷却手段２００の部分を構成する金属と同じ金属よりなるものであってもよい。たとえば、両者ともアルミであったり、銅であったりするものにできる。それによれば、導体層２３、３３とこれに接する冷却手段２００とが同じ金属であるから、電蝕防止が期待され、好ましい。
【０１７８】
また、上記第１実施形態では、端子部材９０は、モールド樹脂６０の外面のうち上記制御端子８０が引き出されている面とは、異なる面にて引き出されていたが、制御端子８０が引き出されている面と同じ面にて引き出し、その突出方向も同一方向としてもよい。このような形態は、たとえば上記図９（ａ）に示される。
【０１７９】
この場合、制御端子８０を外部の制御回路基板に接続するのと同時に、端子部材９０も制御回路基板に接続することが可能となる。そして、この制御回路基板の配線を用いて、冷却手段２００の構成要素であるポンプ等に接続すれば、端子部材９０と冷却手段２００との電気的接続が行える。
【０１８０】
また、上記各実施形態のうち電気絶縁性または導電性のグリス３００、３１０は、半導体実装体１００の放熱面である導体層２３と冷却手段２００との間を埋める熱伝導性の粘性体３００、３１０として構成されるものであるが、このような粘性体としては、グリス３００、３１０に限るものではなく、それ以外にも、たとえば電気絶縁性または導電性の接着剤やペーストなどを用いてもよい。
【符号の説明】
【０１８１】
１０    半導体素子
２０    第１の金属体
２１    第１の金属体の金属部
２２    第１の金属体の絶縁層
２３    第１の金属体の導体層
３０    第２の金属体
３１    第２の金属体の金属部
３２    第２の金属体の絶縁層
３３    第２の金属体の導体層
６０    封止材としてのモールド樹脂
６１    穴
９０    端子部材
１００  半導体実装体
２００  冷却手段
２０１  冷媒流路
２０２  冷媒
２０３  突起
３００  電気絶縁性のグリス
３１０  導電性のグリス
４００  溝
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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