(57)【要約】      （修正有）【課題】安全性が高い大電流出力が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】第１方向および第２方向に延伸する第１面を有する第１金属板１０と、第２面を有する第２金属板２０と、第１金属板１０と前記第２金属板２０との間に接続された２つ以上の半導体ユニット３０と、第１金属板１０と各半導体ユニット３０とを電気的に接続する第１接続部材５１と、第２金属板２０と各半導体ユニット３０とを電気的に接続する第２接続部材５２と、を備える。各半導体ユニット３０は、第１端子から第３方向に延伸して設けられた第１金属部材と、第２端子から第３方向に延伸して設けられた第２金属部材と、第１金属部材と第２金属部材との間に積層され、それぞれに電気的に接続された半導体素子と、第１金属部材、第２金属部材、半導体素子を覆う第１絶縁部材を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向および前記第１方向に交差する第２方向に延伸する第１面を有する第１金属板と、
前記第１面に対向する第２面を有する第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板との間に接続された２つ以上の半導体ユニットと、
前記第１金属板と前記２つ以上の半導体ユニットのそれぞれとの間に設けられ、互いに電気的に接続する第１接続部材と、
前記第２金属板と前記２つ以上の半導体ユニットのそれぞれとの間に設けられ、互いに電気的に接続する第２接続部材と、
を備え、
前記２つ以上の半導体ユニットのそれぞれは、
一方の端部に、前記第１面に前記第１接続部材を介して接続された第１端子を含み、前記第１端子から、前記第１方向および前記第２方向に交差する第３方向に延伸して設けられた第１金属部材と、
一方の端部に、前記第２面に前記第２接続部材を介して接続された第２端子を含み、前記第２端子から前記第３方向に延伸して設けられた第２金属部材と、
半導体基板の一方の面である第１主面に設けられた第１電極と前記第１主面とは反対側の第２主面に設けられた第２電極とを含み、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間で前記第１方向または前記第２方向に積層され、前記第１電極を前記第１金属部材に電気的に接続され、前記第２電極を前記第２金属部材に電気的に接続された半導体素子と、
前記第１端子以外の前記第１金属部材、前記第２端子以外の前記第２金属部材および前記半導体素子を覆う第１絶縁部材と、
を含む半導体装置。
【請求項２】
前記第１絶縁部材は、前記第１端子の側で前記第１面に密着し、前記第２端子の側で前記第２面に密着して設けられた請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１金属板は、前記第１面に前記第１接続部材を充てんされた第１凹部を含み、
前記第２金属板は、前記第２面に前記第２接続部材を充てんされた第２凹部を含み、
前記第１端子は、前記第１面に対向する前記第１絶縁部材の面と同一面を形成し、
前記第２端子は、前記第２面に対向する前記第１絶縁部材の面と同一面を形成する請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１絶縁部材は、
前記第１面との間で密着して設けられた第２絶縁部材と、
前記第２面との間で密着して設けられた第３絶縁部材と、
を含む請求項２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子の前記第１主面および前記第２主面が前記第２方向および前記第３方向に沿うように配置された場合に、
前記第１絶縁部材の前記第２方向の側の端部と前記半導体素子の前記第２方向の側の端部との長さのうち最短の長さは、前記第１絶縁部材の前記第１面に密着している面と前記半導体素子の前記第３方向の側の端部との長さよりも長い請求項２〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１絶縁部材の表面は、前記第１面と前記第２面との間で凸面および凹面のうち少なくとも１つを含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１金属部材に接合された第１ヒートシンクと、
前記第２金属部材に接合された第２ヒートシンクと、
をさらに備えた請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１金属板および前記第２金属板のうち少なくとも一方は、複数の分割された部分を含む請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１ヒートシンクおよび前記第２ヒートシンクのうち少なくとも一方は、複数の分割された部分を含む請求項７または８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体素子は、前記第１電極の側に第３電極を有し、
前記樹脂封止モジュールは、前記第１金属部材に接続された第３金属部材と、前記第３部材および前記第３金属部材を電気的に接続するボンディングワイヤと、をさらに含む請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第１接合部材および前記第２接合部材の融点は、前記第１接続部材および前記第２接続部材の融点よりも高温である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１２】
第１方向および前記第１方向に交差する第２方向に延伸する第１面を有する第１電極板と、
前記第１面と同一面内で同一方向に向く第２面を有する第２電極板と、
前記第１電極板と前記第２電極板との間に設けられた半導体ユニットと、
前記第１電極板と前記半導体ユニットとの間に設けられ、互いに電気的に接続する第１接続部材と、
前記第２電極板と前記半導体ユニットとの間に設けられ、互い電気的に接続する第２接続部材と、
を備え、
前記半導体ユニットは、
一方の端部に、前記第１面に前記第１接続部材を介して接続された第１端子を含み、前記第１端子から、前記第１方向および前記第２方向に交差する第３方向に延伸して設けられた第１金属部材と、
一方の端部に、前記第２面に前記第２接続部材を介して接続された第２端子を含み、前記第２端子から前記第３方向に延伸して設けられた第２金属部材と、
半導体基板の一方の面である第１主面に設けられた第１電極と前記第１主面とは反対側の第２主面に設けられた第２電極とを含み、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に積層され、前記第１電極を前記第１金属部材に電気的に接続され、前記第２電極を前記第２金属部材に電気的に接続された半導体素子と、
前記第１端子以外の前記第１金属部材、前記第２端子以外の前記第２金属部材および前記半導体素子を覆う第１絶縁部材と、
を含む半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
数キロボルト（ｋＶ）の高電圧や数キロアンペア（ｋＡ）の大電流を取り扱う半導体装置では、動作時の温度上昇を極力抑制する必要があり、スイッチング素子を多数個並列接続して動作させる場合がある。
【０００３】
並列に接続された複数のスイッチング素子を単一のパッケージに搭載した半導体モジュールがある。このような半導体モジュールでは、低熱抵抗を実現するとともに、高い安全性を確保する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２５８２００号公報
【特許文献２】特許第４３８５３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態の目的は、安全性が高い大電流出力が可能な半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る半導体装置は、第１方向および前記第１方向に交差する第２方向に延伸する第１面を有する第１金属板と、前記第１面に対向する第２面を有する第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に接続された２つ以上の半導体ユニットと、前記第１金属板と前記２つ以上の半導体ユニットのそれぞれとの間に設けられ、互いに電気的に接続する第１接続部材と、前記第２金属板と前記２つ以上の半導体ユニットのそれぞれとの間に設けられ、互いに電気的に接続する第２接続部材と、を備える。前記２つ以上の半導体ユニットのそれぞれは、一方の端部に、前記第１面に前記第１接続部材を介して接続された第１端子を含み、前記第１端子から、前記第１方向および前記第２方向に交差する第３方向に延伸して設けられた第１金属部材と、一方の端部に、前記第２面に前記第２接続部材を介して接続された第２端子を含み、前記第２端子から前記第３方向に延伸して設けられた第２金属部材と、半導体基板の一方の面である第１主面に設けられた第１電極と前記第１主面とは反対側の第２主面に設けられた第２電極とを含み、前記第１金属部材と前記第２金属部材との間で前記第１方向または前記第２方向に積層され、前記第１電極を前記第１金属部材に電気的に接続され、前記第２電極を前記第２金属部材に電気的に接続された半導体素子と、前記第１端子以外の前記第１金属部材、前記第２端子以外の前記第２金属部材および前記半導体素子を覆う第１絶縁部材と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。図２（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する平面図である。図２（ｃ）は、第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する底面図である。
【図３】図３（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する平面図である。図３（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。
【図４】第１の実施形態の半導体装置の特性を例示するグラフである。
【図５】第１の実施形態の半導体装置を例示する一部分解組立図である。
【図６】図６（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置における沿面距離を説明するための断面図である。図６（ｂ）は、比較例の半導体装置における沿面距離を説明するための断面図である。
【図７】第２の実施形態の半導体装置を例示する断面図である。
【図８】図８（ａ）および図８（ｂ）は、第２の実施形態の半導体装置に発生した亀裂の伸展を説明するための断面図である。図８（ｃ）は、比較例の半導体装置に発生した亀裂の伸展を説明する断面図である。
【図９】第３の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、第４の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。図１０（ｂ）は、第４の実施形態の半導体装置の一部を例示する斜視図である。
【図１１】第５の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【図１２】第６の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【図１３】第７の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【図１４】図１４（ａ）は、第８の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。図１４（ｂ）は、第８の実施形態に係る半導体装置を例示する底面図である。
【図１５】図１５は、第８の実施形態の半導体装置の一部を例示する底面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図２（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。図２（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する平面図である。図２（ｃ）は、第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する底面図である。
図３（ａ）は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する平面図である。図３（ｂ）は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、第１金属板１０と、第２金属板２０と、半導体ユニット３０と、を備える。第１金属板１０は、第１面１０ａと、第２面１０ｂと、を有する。第２金属板２０は、第１面２０ａと、第２面２０ｂと、を有する。
【０００９】
以下では、次の座標を用いることがある。第１金属板１０の一方の面である第１面１０ａに平行な座標軸をＸ軸およびＹ軸とする。そして、Ｘ軸およびＹ軸に直交する座標軸をＺ軸とする。
【００１０】
第２金属板２０は、一方の面である第１面２０ａが第１金属板１０の第１面１０ａに平行に対向するように配置されている。つまり、第１面１０ａ，２０ａは、ほぼ平行に配置されている。
【００１１】
第１金属板１０は、ＸＹ平面に平行な第１面１０ａを有するほぼ長方形の平板である。第１金属板１０は、Ｚ軸方向の厚さを有する。
【００１２】
第２金属板２０は、ＸＹ平面に平行な第１面２０ａを有する長方形の平板である。第２金属板２０は、Ｚ軸方向の厚さを有する。第２金属板２０は、第１金属板１０とほぼ同一の平板である。
【００１３】
第１金属板１０および第２金属板２０は、高導電率かつ高熱伝導度を有する金属で形成されている。たとえば、第１金属板１０および第２金属板２０は、銅（Ｃｕ）または銅合金を含む。第１金属板１０および第２金属板２０は、半導体装置１の２つの電極として機能する。
【００１４】
半導体ユニット３０は、第１金属板１０と第２金属板２０との間に１つ以上設けられている。２つ以上の半導体ユニット３０が設けられている場合には、半導体ユニット３０は、第１金属板１０および第２金属板２０によって並列に接続されている。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、半導体ユニット３０は、第１金属部材３１と、第２金属部材３２と、第１接合部材３３と、第２接合部材３４と、絶縁部材３５と、半導体素子４０と、を含む。第１金属部材３１、第１接合部材３３、半導体素子４０、第２接合部材３４、および第２金属部材３２は、この順でＸ軸方向に積層されている。第１金属部材３１の一部、第２金属部材３２の一部、第１接合部材３３、第２接合部材３４、および半導体素子４０は、絶縁部材３５によって覆われている。
【００１６】
半導体ユニット３０は、第１端子３１ａと、第２端子３２ａと、を含む。第１端子３１ａは、絶縁部材３５によって覆われていない第１金属部材３１の一部である。第２端子３２ａは、絶縁部材３５によって覆われていない第２金属部材３２の一部である。
【００１７】
半導体ユニット３０は、ＸＹ平面、ＸＺ平面およびＹＺ平面に沿う面を含むほぼ直方体形状を有する。図２（ｂ）に示すように、第２端子３２ａは、半導体ユニット３０のＸＹ平面に平行な露出面である。第２端子３２ａは、第２金属部材３２の面であって、第２金属板２０の第１面２０ａに対向し、第２金属部材３２のＸＹ平面に平行な面である。図２（ｃ）に示すように、第１端子３１ａは、半導体ユニット３０のＸＹ平面に平行な露出面であり、第２端子３２ａが形成された面の反対側の面に形成された露出面である。第１端子３１ａは、第１金属部材３１の面であって、第１金属板１０の第１面１０ａに対向し、第１金属部材３１のＸＹ平面に平行な面である。第１端子３１ａおよび第２端子３２ａは、直方体において互いに反対側の面に離隔して露出された電極である。
【００１８】
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、半導体素子４０は、半導体基板４１と、第１電極４２と、第２電極４３と、第３電極４４と、を含む。半導体素子４０は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のような制御電極によってスイッチング制御されるスイッチング素子である。半導体素子４０は、ＩＧＢＴ等のような三端子素子に限らず、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等のような第３電極を有しない二端子素子であってもよい。以下では、特に断らない限り、半導体素子４０は、ＩＧＢＴのような三端子素子であるものとして説明する。
【００１９】
半導体素子４０では、半導体基板４１の一方の面である第１主面４１ａに第１電極４２が設けられている。第１電極４２は、たとえばコレクタ電極やドレイン電極等である。半導体基板４１の第１主面４１ａの反対側の面である第２主面４１ｂに第２電極４３および第３電極４４が設けられている。第２電極４３は、たとえばエミッタ電極やソース電極等である。第３電極４４は、たとえばゲート電極である。これらの電極は、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等を含み、蒸着やスパッタリング等によって半導体基板４１上に形成されている。
【００２０】
図２（ａ）にもどって説明を続ける。第１金属部材３１は、ほぼ方形の板材であり、ＹＺ平面にほぼ平行な面で第１接合部材３３を介して半導体素子４０の第１電極４２に電気的に接続される。
【００２１】
第２金属部材３２は、部分３２ｂ，３２ｃを含む。部分３２ｂは、ほぼ方形の板状の部材であり、部分３２ｃは、部分３２ｂから半導体素子４０の側に突出する凸部である。部分３２ｃは、半導体素子４０の第２電極４３の平面視形状に応じて形成されており、半導体素子４０が接続されている側に突出するように設けられている。
【００２２】
第２金属部材３２は、ＹＺ平面にほぼ平行な面を有する部分３２ｂ，３２ｃおよび第２接合部材３４を介して第２電極４３に電気的に接続される。
【００２３】
第１接合部材３３および第２接合部材３４は、たとえばハンダである。
【００２４】
第１金属部材３１と第２金属部材３２との間に接続される半導体素子は、１つに限らない。同一の第１金属部材３１と第２金属部材３２との間に２つ以上の半導体素子が接続される場合には、同一の半導体素子を配置してもよいし、異なる半導体素子を配置してもよい。異なる半導体素子を配置する場合には、たとえば、ＩＧＢＴとＦＲＤとを逆並列に接続してもよい。
【００２５】
絶縁部材３５は、積層された第１金属部材３１、第１接合部材３３、半導体素子４０、第２接合部材３４、および第２金属部材３２を、直方体形状に封止している。絶縁部材３５は、たとえばエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂である。絶縁部材３５は、第１金属部材３１、第１接合部材３３、半導体素子４０、第２接合部材３４、および第２金属部材３２の積層体を、たとえば真空状態の樹脂成型用金型内に封止樹脂を注入し、固化させる。これによって、積層体の周囲に気泡を残さずに封止することができる。
【００２６】
図１にすでに示したように、半導体ユニット３０は、第１接続部材５１を介して、第１金属部材３１（第１端子３１ａ）を第１金属板１０の第１面１０ａに電気的に接続される。半導体ユニット３０は、第２接続部材５２を介して、第２金属部材３２（第２端子３２ａ）を第２金属板２０の第１面２０ａに電気的に接続される。
【００２７】
複数の半導体ユニット３０を接続するには、それぞれの第１端子３１ａが露出する方向および第２端子３２ａが露出する方向を一致させて、第１金属板１０と第２金属板２０の間に配置する。具体的には、たとえば、複数の半導体ユニット３０のそれぞれの第１端子３１ａをＺ軸の負方向に向けるように配置し、それぞれの第２端子３２ａをＺ軸の正方向に向けるように配置する。
【００２８】
このように半導体ユニット３０を配置することによって、各半導体ユニット３０の第１端子３１ａ同士は第１金属板１０によって電気的に接続される。各半導体ユニット３０の第２端子３２ａ同士は、第２金属板２０によって電気的に接続される。なお、半導体素子４０がゲート端子を含む場合については後に詳述するが、樹脂封止前にボンディングワイヤによって電気的に接続されたゲート配線をゲート配線引出用の金属板に接続することによって互いに電気的に接続される。
【００２９】
第１金属板１０、第２金属板２０、半導体ユニット３０、第１接続部材５１、および第２接続部材５２は、ケース６０によって囲繞され、外部からの異物等の侵入が防止される。
【００３０】
図４は、本実施形態の半導体装置の特性を例示するグラフである。
第１金属部材３１および第２金属部材３２は、ヒートシンクとしても機能する。
図４に示すように、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さが厚くなるにつれて半導体素子４０の短絡通電時の最高温度は低下する。そして、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さがそれぞれ３ｍｍ以上になると、半導体素子４０の最高温度はほぼ一定となる。すなわち、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さがそれぞれ３ｍｍ以上であれば、第１金属部材３１および第２金属部材３２はヒートシンクとして機能し、半導体素子４０の発熱を外部に放出することができる。一方、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さが３ｍｍよりも薄くなると、熱の放散が抑制され、半導体素子４０の温度が上昇する。したがって、第１金属部材３１および第２金属部材３２は、それぞれ厚さがたとえば４ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３１】
本実施形態の半導体装置１の製造方法について説明する。
図５は、本実施形態の半導体装置を例示する一部分解組立図である。
図５に示すように、本実施形態の半導体装置１では、まず、半導体ユニット３０を組み立てる。第１金属板１０および第２金属板２０は、組み立てられた半導体ユニット３０に電気的に接続される。その後、この組立体にケース６０の部分６１，６２を取り付ける。なお、図５では、半導体ユニット３０の構成を示すために、絶縁部材３５を表示していない。
【００３２】
半導体ユニット３０の組立では、たとえば第１金属部材３１に第１接合部材３３を介して半導体素子４０を電気的に接続する。このとき、半導体素子４０の第１電極４２が第１金属部材３１に接続される。
【００３３】
半導体ユニット３０は、半導体素子４０がＩＧＢＴ等の三端子素子の場合には、制御端子を接続する必要がある。半導体素子４０を第１金属部材３１に接続した後に、第３電極４４と第３金属部材３６とをボンディングワイヤ３７によって電気的に接続する。
【００３４】
その後、半導体素子４０に第２接合部材３４を介して第２金属部材３２を電気的に接続する。なお、第２金属部材３２を接続する場合に、第２金属部材３２がボンディングワイヤ３７に接触しないように、第２金属部材３２の第３電極４４に対応する箇所には、切欠３２ｄが設けられている。
【００３５】
その後、第１金属部材３１、第１接合部材３３、半導体素子４０、第２接合部材３４および第２金属部材３２を含む積層体は、第３金属部材３６およびボンディングワイヤ３７とともに、樹脂封入金型によって樹脂成形される（絶縁部材）。
【００３６】
組み立てられた半導体ユニット３０は、第２金属板２０の第１面２０ａに第２接続部材３４を介して、第２端子３２ａで電気的に接続される。その後、第１金属板１０の第１面１０ａに第１接続部材３３を介して、第１電極で電気的に接続される。半導体ユニット３０には、先に第１金属板１０を接続して、その後第２金属板２０を接続してもかまわないし、半導体ユニット３０に、第１金属板１０および第２金属板２０を同時に接続してもよい。
【００３７】
その後、半導体ユニット３０の第３金属部材３６は、ゲート引出電極７１にゲート接続部７２を介して電気的に接続される。ゲート接続部７２は、各半導体ユニット３０の第３金属部材３６と一体で形成されていた部分を、Ｚ軸方向に屈曲させて形成される。
【００３８】
ゲート接続部７２とゲート引出電極７１とは、互いにハンダ等によって電気的に接続される。
【００３９】
上述によって形成された組立体は、たとえば２つの部分６１，６２に分割されたケース６０によって囲繞される。２つの部分６１，６２は、たとえば接着剤等によって接続される。
【００４０】
本実施形態の半導体装置１の作用および効果について、比較例の半導体装置と比較しつつ説明する。
図６（ａ）は、本実施形態の半導体装置における沿面距離を説明するための断面図である。図６（ｂ）は、比較例の半導体装置における沿面距離を説明するための断面図である。
ここで、沿面距離とは、ＩＥＣ６０６６４−１等によれば、異なる２つの導体間の絶縁材料表面に沿った最短距離と定義される。
【００４１】
半導体装置１では、沿面距離Ｌは、半導体ユニット３０の異なる２つの導電性部分である第１端子３１ａと第２端子３２ａとの間の絶縁部材３５の表面の最短距離である。ここで、実際に露出しているのは、第１端子３１ａの場合には第１接続部材５１であり、第２端子３２ａの場合には、第２接続部材５２であってもよい。
【００４２】
沿面距離Ｌは、距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の和で表される。距離Ｌ１は、第１端子３１ａの端部から絶縁部材３５の端部までのＸ軸方向に沿う距離である。距離Ｌ２は、絶縁部材３５のＺ軸方向の長さである。距離Ｌ３は、第２端子３２ａの端部から絶縁部材３５の端部までのＸ軸方向に沿う距離である。
【００４３】
同様に、図６（ｂ）に示すように、比較例の半導体装置１０１の沿面距離Ｌ’は、Ｌ１’，Ｌ２’，Ｌ３’の和である。距離Ｌ１’は、第１端子１３１ａの端部から絶縁部材１３５の端部までのＸ軸方向に沿う距離である。距離Ｌ２’は、絶縁部材１３５のＺ軸方向の長さである。距離Ｌ３’は、第２端子１３２ａの端部から絶縁部材１３５の端部までのＸ軸方向に沿う距離である。
【００４４】
比較例の半導体装置１０１において、沿面距離Ｌ’を確保するには、Ｘ軸方向の長さＬ１’，Ｌ２’を長くするか、Ｚ軸方向の長さＬ３’を長くする必要がある。Ｘ軸方向の長さＬ１’，Ｌ２’を長くすることは、隣接して配置される半導体ユニット１３０との間の距離を長くとることを意味する。したがって、単位面積当たりに実装し得る半導体ユニット１３０の並列個数を増加させることが困難になる。
【００４５】
比較例の半導体装置１０１において、沿面距離Ｌ’を確保するために、Ｚ軸方向の長さＬ２’を長くする場合には、第１金属部材１３１および第２金属部材１３２のうち少なくとも一方の厚さを厚くする必要がある。図５において説明したように、第１金属部材１３１および第２金属部材１３２は、ヒートシンクとして機能するには、厚さが４ｍｍあれば十分であり、それ以上の厚さとしても放熱性能の向上を見込むことはできない。第１金属部材１３１および第２金属部材１３２の厚さを厚くすることは、半導体装置１０１の重量やコストを増大させることとなる。
【００４６】
これに対して、本実施形態の半導体装置１では、沿面距離Ｌは、第１端子３１ａの端部から絶縁部材３５の端部までのＸ軸方向に沿う距離Ｌ１，Ｌ２および絶縁部材３５のＺ軸方向に沿う距離Ｌ３によって決定される。このうち、距離Ｌ３は、第１金属部材３１または第２金属部材３２の厚さによってほぼ決定される。一方、距離Ｌ２は、第１金属部材３１または第２金属部材３２のＺ軸方向に沿う長さによってほぼ決定される。
【００４７】
距離Ｌ２は、半導体素子４０の大きさ（チップサイズ）によってほぼ決定される。本実施形態の半導体装置１に用いる半導体素子４０は、大電流を流すことを目的としており、通常、十分なチップサイズを有する。したがって、距離Ｌ２は、無駄な部材を追加することなく、十分な長さを確保することができるため、沿面距離Ｌを確保することに貢献することができる。なお、距離Ｌ１は、図５において説明したように、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さは、４ｍｍ程度とされており、沿面距離として加算することができる。
【００４８】
本実施形態の半導体装置１では、半導体素子４０や第１接合部材３３、第２接合部材３４の周囲を絶縁部材３５によって、空気等の気体を排出するように封止している。そのため、電力集中等によって半導体素子４０や第１接合部材３３、第２接合部材３４が高温状態になった場合であっても、膨張する気体が周囲に存在しないので、気体の膨張によって半導体装置１を破裂させるような急激な体積膨張を抑制することができる。つまり、簡素な構造で防爆構造を実現することができる。
【００４９】
本実施形態の半導体装置１では、複数の半導体ユニット３０を第１金属板１０および第２金属板２０の間に配置してハンダ等の第１、第２接続部材５１，５２によって容易に電気的接続および熱的接続を行うことができる。ハンダ等の第１、第２接続部材５１，５２を用いて相互の接続をとることによって、半導体ユニット３０の配置時の位置設定が容易になる。また、ハンダ等の第１、第２接続部材５１，５２を用いることによって、加圧することなく、各半導体ユニット３０の熱抵抗および電気抵抗を一様にすることができる。
【００５０】
（第２の実施形態）
図７は、本実施形態の半導体装置を例示する断面図である。
本実施形態の半導体装置２０１では、第１金属板２１０および第２金属板２２０の構成が第１の実施形態の場合と相違する。他の構成要素については、第１の実施形態の場合と同じであり、同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
【００５１】
図７に示すように、本実施形態の半導体装置２０１は、第１金属板２１０と、第２金属板２２０と、半導体ユニット３０と、を備える。
【００５２】
第１金属板２１０は、一方の面である第１面２１０ａに凹部２１１を有する。凹部２１１は、半導体ユニット３０の第１端子３１ａを接続する箇所に設けられている。したがって、凹部２１１は、並列接続し得る複数の半導体ユニット３０の数だけ設けられている。
【００５３】
第２金属板２２０は、一方の面である第１面２２０ａに凹部２２１を有する。凹部２２１は、半導体ユニット３０の第２端子３２ａを接続する箇所に設けられている。したがって、凹部２２１は、並列接続し得る複数の半導体ユニット３０の数だけ設けられている。
【００５４】
第１金属板２１０の凹部２１１には、第１接続部材２５１が充填されている。第２金属板２２０の凹部２２１には、第２接続部材２５２が充填されている。第１接続部材２５１および第２接続部材２５２は、第１の実施形態の場合の第１接続部材５１および第２接続部材５２と同一の部材でよい。第１接続部材２５１および第２接続部材２５２は、たとえばハンダであり、半導体ユニット３０の第１接合部材３３および第２接合部材３４よりも低い融点を有することが好ましい。
【００５５】
半導体ユニット３０の第１端子３１ａは、第１接続部材２５１と電気的に接続され、接続された後には、半導体ユニット３０の第１端子３１ａを含む絶縁部材３５の面は、第１金属板２１０の第１面２１０ａと密着する。
【００５６】
半導体ユニット３０の第２端子３２ａは、第２接続部材２５２と電気的に接続され、接続された後には、半導体ユニット３０の第２端子３２ａを含む絶縁部材３５の面は、第２金属板２２０の第１面２２０ａと密着する。
【００５７】
このように、半導体ユニット３０の第１端子３１ａを含む絶縁部材３５の面および第２端子３２ａを含む絶縁部材３５の面は、第１面２１０ａ，２２０ａにそれぞれ密着させることができる。
【００５８】
本実施形態の半導体装置２０１の作用および効果について比較例の半導体装置１０１と比較しつつ説明する。
図８（ａ）および図８（ｂ）は、本実施形態の半導体装置に発生した亀裂の伸展を説明するための断面図である。図８（ｃ）は、比較例の半導体装置に発生した亀裂の伸展を説明する断面図である。
第１の実施形態の場合において説明したように、半導体ユニット３０の周囲は、絶縁部材３５によって覆われており、気体の急激な体積膨張によって半導体ユニット３０が破裂することは防止される。しかし、半導体素子４０に大電流が流れ、急激に温度が上昇した場合には、半導体素子４０の近傍から絶縁部材３５に亀裂が入ることがある。そして、亀裂が絶縁部材３５の表面に達して、絶縁部材３５の内部が解放された場合に破裂することがある。
【００５９】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、本実施形態の半導体装置２０１では、亀裂Ｃ１は、もっとも激しく温度上昇する半導体素子４０の周囲で発生し、外側に向かって伸展する。しかし、絶縁部材３５の面が第１面２２０ａに密着しているので、亀裂Ｃ１は、第２金属板２２０の第１面２２０ａに到達してそれ以上伸展することができなくなる。したがって、亀裂Ｃ１は、半導体装置２０１の外部に達することがなく、半導体ユニット３０の破裂を防止することができる。亀裂が第１金属板２１０の側に発生した場合も同様である。
【００６０】
一般に、亀裂は構造的に弱い部分に向かって進むため、絶縁部材３５の端面までの距離が短い方向に向かって進展していく。本実施形態の半導体装置２０１では、距離Ｌ５が距離Ｌ４よりも長く設定されている。距離Ｌ４は、半導体素子４０の端部から、第１金属板２１０または第２金属板２２０に密着している絶縁部材３５の端部までの長さである。距離Ｌ５は、半導体素子４０の端部から、第１金属板２１０および第２金属板２２０いずれにも接触していない面の側の絶縁部材３５の端部までの長さである。距離Ｌ５を距離Ｌ４に比べて十分に長くすることによって、亀裂Ｃ２の伸展が抑えられ、半導体ユニット３０の破裂を防止することができる。
【００６１】
図８（ｃ）に示すように、比較例の半導体装置１０１では、亀裂Ｃ３は、半導体素子１４０の端部で発生し、絶縁部材１３５の端部まで伸展する。半導体素子１４０の端部から絶縁部材１３５の端部までの間に亀裂Ｃ３の伸展を抑えるものがないので、半導体ユニット１３０は、亀裂Ｃ３によって破裂するおそれがある。
【００６２】
（第３の実施形態）
図９は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図９に示すように、本実施形態の半導体装置３０１は、第１絶縁材５３と、第２絶縁材５４と、をさらに備える。第１絶縁材５３は、絶縁部材３５と第１金属板１０の第１面１０ａとの間に設けられている。第２絶縁材５４は、絶縁部材３５と第２金属板２０の第１面２０ａとの間に設けられている。
【００６３】
第１絶縁材５３は、一方の面で、絶縁部材３５の第１端子３１ａを含む面に密着して設けられ、他方の面で、第１金属板１０の第１面１０ａに密着して設けられている。
【００６４】
第２絶縁材５４は、一方の面で、絶縁部材３５の第２端子３２ａを含む面に密着して設けられ、他方の面で、第２金属板２０の第１面２０ａに密着して設けられている。
【００６５】
本実施形態の半導体装置３０１の作用および効果について説明する。
第１絶縁材５３および第２絶縁材５４は、半導体ユニット３０の絶縁部材３５を第１金属板１０の第１面１０ａおよび第２金属板２０の第１面２０ａにそれぞれ密着させることができる。そのため、半導体ユニット３０の絶縁部材３５に発生した亀裂の伸展を抑制して、半導体ユニット３０の破裂を防止することができる。
【００６６】
本実施形態の半導体装置３０１では、第１絶縁材５３を第１接続部材５１とともに、半導体ユニット３０の第１端子３１ａに応じて、第１金属板１０の第１面１０ａに配置することができる。そのため、第１金属板１０における半導体ユニット３０の位置を容易に決定することができる。同様に、第２絶縁材５４を第２接続部材５２とともに、半導体ユニット３０の第２端子３２ａに応じて、第２金属板２０の第１面２０ａに配置することができる。そのため、第２金属板２０における半導体ユニット３０の位置を容易に決定することができる。
【００６７】
このように、本実施形態の半導体装置３０１では、第１絶縁材５３および第２絶縁材５４によって、亀裂の伸展を防止する機構を容易に半導体装置に組み込むことができる。そのため、亀裂の伸展を防止する機構を形成するために、接合不良等を生ずることなく、製造歩留りを向上させることができる。
【００６８】
（第４の実施形態）
図１０（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。図１０（ｂ）は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する斜視図である。
図１０（ａ）に示すように、本実施形態の半導体装置４０１は、半導体ユニット４３０を備える。半導体ユニット４３０は、凸面４３５ａを有する絶縁部材４３５を含む。
【００６９】
図１０（ｂ）に示すように、絶縁部材４３５は、第１端子３１ａの側から第２端子３２ａの側に至る面を有している。換言すると、絶縁部材４３５は、第１端子３１ａを含む面の端部から、第２端子３２ａを含む面の端部までを含む凸面４３５ａを有している。この例では、Ｘ軸方向に凸となる１つの凸面を含んでいるが、凹面であってもよく、１つ以上の凹凸を含む波状の面であってもよい。また、絶縁部材は、Ｘ軸方向に限らず、Ｙ軸方向に凸面や凹面を有していてもよいし、Ｘ軸およびＹ軸の両方向に凸面や凹面を有していてもよい。
【００７０】
本実施形態の半導体装置４０１では、２つの導体である第１端子３１ａおよび第２端子３２ａの間の絶縁部材４３５の表面の距離を延長するように、絶縁部材４３５が凸面４３５ａを有する。そのため、第１金属板１０および第２金属板２０の間の長さを延長することなく、沿面距離を長くすることができる。このような構成とすることにより、高耐圧の半導体素子４０を用いた場合であっても、安定して沿面距離を確保することができる。
【００７１】
（第５の実施形態）
図１１は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図１１に示すように、本実施形態の半導体装置５０１は、ヒートシンク８１，８２をさらに備える。
【００７２】
ヒートシンク８１は、第１金属板１０の第２面１０ｂに接続される。第２面１０ｂは、第１面１０ａとは反対側の面である。ヒートシンク８２は、第２金属板２０の第２面２０ｂに接続される。第２面２０ｂは、第１面２０ａの反対側である。
【００７３】
ヒートシンク８１，８２の接続には、はんだ付けや、ろう付け、摩擦撹拌接合等の周知の接続技術が用いられる。好ましくは、ヒートシンク８１，８２は、第１金属板１０および第２金属板２０の間に絶縁板を設けずに接続される。これにより、熱抵抗を低減することができる。
【００７４】
ヒートシンク８１，８２は、熱伝導性および電気伝導性がよい材料によって形成されている。ヒートシンク８１，８２は、たとえば銅やアルミニウム等の金属を含む。
【００７５】
ヒートシンク８１，８２は、空冷でもよいし、水冷でもよい。水冷式のヒートシンクの場合には、好ましくは内部に純水を循環させて用いる。
【００７６】
本実施形態の半導体装置５０１の作用および効果について説明する。
本実施形態の半導体装置５０１では、第１金属板１０および第２金属板２０に絶縁板を介することなく、ヒートシンク８１，８２を接続する。そのため、半導体装置５０１の熱抵抗を低く抑えることができる。
【００７７】
純水による水冷式のヒートシンクを用いた場合には、純水は不導体であるために、漏電を考慮する必要がないので、冷却システムを簡易に構成することができる。
【００７８】
（第６の実施形態）
図１２は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図１２に示すように、本実施形態の半導体装置６０１は、第１金属板６１０と、第２金属板６２０と、半導体ユニット３０と、ヒートシンク８１，８２と、を備える。
【００７９】
第１金属板６１０は、上述の他の実施形態の場合の第１金属板１０が分割されたものである。第２金属板６２０は、上述の他の実施形態の場合の第２金属板２０が分割されたものである。少なくとも１つの半導体ユニット３０が第１金属板６１０と第２金属板６２０との間に電気的に接続されている。第１金属板６１０と半導体ユニット３０の第１端子３１ａとの間の電気的接続のために第１接続部材５１が設けられている。第２金属板６２０と半導体ユニットの第２端子３２ａとの電気的接続のために第２接続部材５２が設けられている。
【００８０】
ヒートシンク８１，８２の間に複数個の組立体６０２が電気的および熱的に接続されている。組立体６０２は、第１金属板６１０と、半導体ユニット３０と、第２金属板６２０と、を含む。
【００８１】
換言すれば、本実施形態の半導体装置６０１では、たとえば第１の実施形態の場合の半導体装置１を、第１金属板１０および第２金属板２０を１つ以上の半導体ユニット３０を含むように分割して、ヒートシンク８１，８２によって、電気的に接続するとともに、熱的に接続する。
【００８２】
本実施形態の半導体装置６０１では、第１金属板６１０および第２金属板６２０を小形にすることができる。そのため、半導体ユニット３０を接続する第１面６１０ａ，６２０ａや、ヒートシンク８１，８２を接続する第２面６１０ｂ，６２０ｂの平坦度等の精度を向上させることができる。したがって、半導体装置６０１の生産性を向上させることができる。
【００８３】
なお、第１金属板６１０および第２金属板６２０の分割単位は、それぞれ任意に設定することができる。たとえば、第１金属板６１０上に複数個の半導体ユニット３０を接続し、それぞれの半導体ユニット３０に対応する第２金属板６２０を設けるようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００８４】
（第７の実施形態）
図１３は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図１３に示すように、本実施形態の半導体装置７０１では、ヒートシンク７８１，７８２が複数個に分割されている。好ましくは、ヒートシンク７８１は、１つの第１金属板６１０に接続され、ヒートシンク７８２は、１つの第２金属板６２０に接続されている。
【００８５】
半導体装置７０１は、複数個の組立体７０２を含んでいる。組立体７０２は、ヒートシンク７８１と、第１金属板６１０と、半導体ユニット３０と、第２金属板６２０と、ヒートシンク７８２と、を含む。
【００８６】
複数個の組立体７０２は、同一極性に接続されているヒートシンク同士を互いにハンダ付け等によって電気的かつ熱的に接続される。
【００８７】
本実施形態の半導体装置７０１では、ヒートシンクも分割して組立体７０２を構成し、組立体７０２同士を接続するので、製造が容易になり、生産性が向上する。
【００８８】
（第８の実施形態）
図１４（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。図１４（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置を例示する底面図である。
図１５は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する底面図である。
図１４（ａ）に示すように、本実施形態の半導体装置８０１は、上述の半導体ユニット３０と異なる半導体ユニット８３０を備える。また、本実施形態の半導体装置８０１は、上述の他の実施形態の第１金属板１０，６１０および第２金属板２０，６２０に代えて、第１電極板８１０と、第２電極板８２０と、を備える。第１電極板８１０、第２電極板８２０、および半導体ユニット８３０の側面および上面には、ケース８６０が付設されている。
【００８９】
図１４（ｂ）に示すように、第１電極板８１０は、電極部８１０ａと、接続部８１０ｂと、を含む。電極部８１０ａは、半導体ユニット８３０の第１端子８３１ａに対応する位置に設けられている。この例では、電極部８１０ａは、Ｘ軸方向に一定の幅を有し、Ｙ軸方向に延伸するほぼＸＹ平面視で長方形の板である。電極部８１０ａは、半導体ユニット８３０の数だけ設けられている。接続部８１０ｂは、１つの電極部８１０ａの一方の端部と、隣接する他の電極部８１０ａの一方の端部と、の間に設けられている。接続部８１０ｂは、隣接する電極部８１０ａ同士を電気的に接続する。
【００９０】
第２電極板８２０は、電極部８２０ａと、接続部８２０ｂと、を含む。電極部８２０ａは、半導体ユニット８３０の第２端子８３１ａに対応する位置に設けられている。この例では、電極部８２０ａは、Ｘ軸方向に一定の幅を有し、Ｙ軸方向に延伸するほぼＸＹ平面視で長方形の板である。電極部８２０ａは、半導体ユニット８３０の数だけ設けられている。接続部８２０ｂは、１つの電極部８２０ａの一方の端部と、隣接する他の電極部８２０ａの一方の端部と、の間に設けられている。接続部８２０ｂは、隣接する電極部８２０ａ同士を電気的に接続する。
【００９１】
この例では、第１電極板８１０および第２電極板８２０は、Ｘ軸に沿って櫛の歯状に配列されている。
【００９２】
半導体ユニット８３０は、第１金属部材８３１と、第２金属部材８３２と、を含む。第１金属部材８３１は、第１端子８３１ａを有し、第２金属部材８３２は、第２端子８３２ａを有する。他の構成要素は、上述の他の実施形態の場合と同じである。図１５に示すように、第１端子８３１ａおよび第２端子８３２ａは、絶縁部材８３５によって覆われていない第１金属部材８３１および第２金属部材８３２のそれぞれ一部である。
【００９３】
第１端子８３１ａおよび第２端子８３２ａは、絶縁部材８３５の１つの面に露出するように設けられている。つまり、本実施形態の半導体装置８０１では、第１端子８３１ａおよび第２端子８３２ａによって、同一面で電気的な接続がとられる。
【００９４】
第１端子８３１ａは、対応する第１電極板８１０に第１接続部材５１を介して電気的に接続される。第２端子８３２ａは、対応する第２電極板８２０の第２接続部材５２を介して電気的に接続される。
【００９５】
本実施形態の半導体装置８０１では、第１電極板８１０および第２電極板８２０が同一面に配置されるので、Ｚ軸方向の長さ（半導体装置８０１の高さ）が低減され、小型化、省スペース化が可能になる。
【００９６】
なお、本実施形態の半導体装置８０１では、沿面距離は、第１金属部材８３１と第２金属部材８３２との間の距離でほぼ決定されるため、たとえば６００Ｖ程度を超えない低電圧用途に用いることができる。
【００９７】
上述では、第１電極板８１０および第２電極板８２０については、それぞれ接続部８１０ｂ，８２０ｂによって複数の電極部８１０ａ同士および電極部８２０ａ同士があらかじめ電気的に接続されている場合について説明した。第１電極板および第２電極板は、半導体ユニット８３０ごとに独立して設けられていてもよい。そのような場合においては、半導体装置８０１を実装する、たとえばプリント配線基板において、複数の第１電極板同士および複数の第２電極板同士の電気的接続をとるようにしてもよい。
【００９８】
以上説明した実施形態によれば、安全性が高い大電流出力が可能な半導体装置を実現することができる。
【００９９】
以上、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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１  半導体装置、１０  第１金属板、１０ａ  第１面、１０ｂ  第２面、１２  凹部、２０  第２金属板、２０ａ  第１面、２０ｂ  第２面、２２  凹部、３０  半導体ユニット、３１  第１金属部材、３２  第２金属部材、３３  第１接合部材、３４  第２接合部材、３５  絶縁部材、３６  第３金属部材、３７  ボンディングワイヤ、４０  半導体素子、４１  半導体基板、４２  第１電極、４３  第２電極、４４  第３電極、５１  第１接続部材、５２  第２接続部材、５３  第１絶縁部材、５４  第２絶縁部材、６０  ケース、７１  ゲート引出電極、７２  ゲート接続部、８１，８２  ヒートシンク、２０１〜８０１  半導体装置、２１０，６１０  第１金属板、２２０，６２０  第２金属板、７８１，７８２  ヒートシンク、８１０  第１電極板、８２０  第２電極板、８３０  半導体ユニット
【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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