(57)【要約】      （修正有）【課題】高耐圧化が可能な樹脂封止型のパワー半導体モジュールの絶縁性及び放熱性を向上する。【解決手段】ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極およびダイオード１１０のカソード電極は、セラミック絶縁層３０３上に設けられたコレクタ回路２０３に対し、金属接合部５０３を介して電気的に接合される。セラミックス基板１３は、金属放熱層４０３とセラミックス絶縁層３０３とコレクタ回路２０３とを備える。ＩＧＢＴ１０１やダイオード１１０で発生した熱は、金属接合部５０３、コレクタ回路２０３、セラミックス絶縁層３０３、金属放熱層４０３や伝熱シート７０３を介して冷却器８０３に伝達される。金属放熱層４０３や伝熱シート７０３の幅を、コレクタ回路２０３の幅に対して小さくしている。【選択図】図４
2018026370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が搭載された回路と、
前記回路の少なくとも一方の面に配置された絶縁層と、
前記絶縁層の前記回路が配置されている面とは反対側の面に配置される金属放熱層と、
前記回路、前記絶縁層及び前記金属放熱層を前記金属放熱層の表面が露出するように封止する第一の絶縁材と、
を備える樹脂封止体を備えるパワー半導体モジュールであって、
前記樹脂封止体は、前記金属放熱層の表面に配置される伝熱シートと、前記第一の絶縁材及び前記伝熱のシートを前記伝熱シートの表面が露出するように封止する第二の絶縁材と、を備え、
前記金属放熱層は、前記金属放熱層と前記回路の積層方向に沿って投影した場合、前記金属放熱層の射影部が前記回路の射影部に包含されるように設けられ、
前記伝熱シートは、前記伝熱シートと前記絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、前記伝熱シートの射影部が前記絶縁層の射影部に包含されるように設けられることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記伝熱シートは、前記伝熱シートと前記回路の積層方向に沿って投影した場合、前記伝熱シートの射影部が、前記回路の射影部に包含するように設けられることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記金属放熱層は、前記伝熱シートと前記金属放熱層の積層方向に沿って投影した場合、前記金属放熱層の射影部が、前記伝熱シートの射影部に包含するように設けられていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記伝熱シートは、前記伝熱シートと前記回路の積層方向に沿って投影した場合、前記伝熱シートの射影部が前記回路の射影部に包含するように設けられ、
前記金属放熱層は、前記伝熱シートと前記金属放熱層の積層方向に沿って投影した場合、前記金属放熱層の射影部が前記伝熱シートの射影部に包含するように設けられていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記伝熱シートの硬度は、前記第一の絶縁材の硬度よりも小さいことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第二の絶縁材の硬度は、前記第一の絶縁材の硬度よりも小さいことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記伝熱シートの硬度は前記第一の絶縁材の硬度よりも小さく、前記第二の絶縁材の硬度は前記伝熱シートの硬度よりも小さいことを特徴とすることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１ないし４のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記第二の絶縁材の比誘電率は前記第一の絶縁材の比誘電率よりも小さいことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項９】
請求項１ないし４のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
樹脂封止体の位置決めをするための第三の絶縁部材を有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項１ないし４のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記樹脂封止体は、前記回路の両面に前記絶縁層が配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載のパワー半導体モジュールであって、
一方に開口部を有するとともに他方に凹部を有する金属ケースと、前記金属ケースの凹部に収納された冷却器とを備え、
前記樹脂封止体は、前記伝熱シート介して前記金属ケースに接するように前記金属ケースの開口部に収納され、
前記冷却器は、前記金属ケースを介して前記樹脂封止体を挟むように配置していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載のパワー半導体モジュールであって、
前記冷却器と前記金属ケースとの間に伝熱シートが配置されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項１ないし４、１０ないし１２のいずれかに記載のパワー半導体モジュールであって、
前記回路は、上アーム側の第一パワー半導体素子と、下アーム側の第二パワー半導体素子と、前記第一パワー半導体素子と電気的に接続される上アーム側のエミッタ回路と、前記第二パワー半導体素子と電気的に接続される下アーム側のコレクタ回路と、を備え、
前記上アーム側のエミッタ回路と前記下アーム側のコレクタ回路が、中間電極を介して接続されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネのためにパワー半導体チップと呼ばれる半導体素子のスイッチングを利用した高効率な電力変換装置が自動車、鉄道、産業機器、電力機器等広い分野で利用されている。パワー半導体チップは、通電による発熱量が高く冷却する必要があり、導電材、放熱材とこれらの絶縁材を実装したパワー半導体モジュールの形態で利用される。
【０００３】
パワー半導体モジュールは絶縁信頼性が必要であり、従来のシリコーンゲルからチップの熱応力を低減可能な樹脂が用いられるようになっている。パワー半導体モジュールでは、絶縁に対して高い信頼性が求められる。
【０００４】
本発明にかかわる従来技術としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されているようなパワー半導体モジュールの構造がある。
【０００５】
特許文献１では、電界集中部となる回路層端部の電界を緩和して絶縁性を向上させるために、セラミックス絶縁層を挟む回路層と金属層について、回路層端部と絶縁層端部との間隔が、金属層端部と絶縁層端部との間隔よりも小さい構造が提案されている。
【０００６】
特許文献２では、パワー半導体モジュールの小型化のために、金属層と絶縁層側を封止する樹脂の比誘電率を回路層と絶縁層側を封止する樹脂よりも低くすることで、金属層端部と絶縁層端部との間隔が小さい構造とそのモジュールの製造方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２７０７３０号公報
【特許文献２】特開２０１２−００９８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１や２の構造では、セラミックス絶縁基板とベース板をはんだ材料により接合している構造であるため、はんだ材料の傾きやはんだ材料が金属層側面に捲れることなどによって絶縁性が低下するという課題がある。
【０００９】
また、はんだ等による金属接合では、使用中に熱応力が発生する。特に応力が集中する金属層端部に亀裂が発生し、発生した亀裂がベース板上の封止樹脂に伝播して絶縁劣化の原因となる虞がある。
【００１０】
特許文献２の製造プロセスでは、金属層と絶縁層側を封止する樹脂の比誘電率を回路層と絶縁層側を封止する樹脂よりも小さくするために、セラミックス基板にパワー半導体チップを搭載する前に、低比誘電率な樹脂を供給している。パワー半導体チップの搭載をはんだ材を用いて行うと、高温での処理が必要となる。そのため、使用する低比誘電率樹脂には、耐熱温度の高い樹脂に限定される。
【００１１】
また、その温度は使用環境温度よりも高温であるために、プロセス時に発生する熱応力が大きく、比誘電率の低い樹脂の内部破壊や剥離の問題がある。
【００１２】
本発明は上記課題に鑑み、高耐圧化が可能な樹脂封止型のパワー半導体モジュールの絶縁性及び放熱性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係るパワー半導体モジュールは、半導体素子が搭載された回路と、回路の少なくとも一方の面に配置された絶縁層と、絶縁層の回路が配置されている面とは反対側の面に配置される金属放熱層と、金属放熱層の表面が露出するように、回路、前記絶縁層及び前記金属放熱層を封止する第一の絶縁材と、を備える樹脂封止体を備えるパワー半導体モジュールであって、樹脂封止体は、金属放熱層の表面に配置される伝熱シートと、伝熱シートの表面が露出するように第一の絶縁材及び伝熱シートを封止する第二の絶縁材と、を備え、金属放熱層は、金属放熱層と回路の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部が回路の射影部に包含されるように設けられ、伝熱シートは、伝熱シートと絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が絶縁層の射影部に包含されるように設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高耐圧化が可能な樹脂封止型のパワー半導体モジュールの絶縁性と放熱性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係るパワー半導体モジュールの外観斜視図である。
【図２】図１に示される樹脂封止体９０１の回路図である。
【図３】図１の樹脂封止体９０１から第一の絶縁材６０１と第二の絶縁材６０２を取り除いた樹脂封止体９０１と冷却器８０３の斜視図である。
【図４】図１の樹脂封止体９０１のＡＡ’の断面模式図である。
【図５（ａ）】比較例に係る樹脂封止体９００の断面模式図である。
【図５（ｂ）】比較例に係る樹脂封止体９００の回路端部の電界解析結果を示す図である。
【図６】第１実施形態に係る樹脂封止体の回路端部の電界解析結果を示す図である。
【図７】第１実施形態に係る樹脂封止体の回路端部の電界解析結果を示す図である。
【図８】第１実施形態に係る樹脂封止体の回路端部の電界解析結果を示す図である。
【図９（ａ）】第１実施形態の変形例１に係る樹脂封止体の断面模式図である。
【図９（ｂ）】第１実施形態の変形例１に係る樹脂封止体の回路端部の電界解析結果を示す図である。
【図１０】第１実施形態の変形例２に係る樹脂封止体９０１の回路端部の電界解析結果である。
【図１１】第１実施形態に係る樹脂封止体の製造工程を示す図である。
【図１２】図１１の次の製造工程を示す図である。
【図１３（ａ）】トランスファーモールド工程後の外観斜視図である。
【図１３（ｂ）】トランスファーモールド工程後の樹脂封止体を示す図である。
【図１４】図１３の次の製造工程を示す図である。
【図１５】第１実施形態の変形例を示す図である。
【図１６】第２実施形態に係る樹脂封止体９０２と水路８０４の外観斜視図である。
【図１７】第２実施形態に係る樹脂封止体９０２の斜視図である。
【図１８】第２実施形態に係る樹脂封止体９０２から第一の絶縁材６０１を取り除いた斜視図である。
【図１９】第２実施形態に係る樹脂封止体９０２のＡＡ’の断面模式図である。
【図２０】第２実施形態の変形例に係る樹脂封止体９０２と水路８０４の外観斜視図である。
【図２１】第２実施形態の変形例に係る樹脂封止体９０２と金属ケース６１１と水路８０４の分解斜視図である。
【図２２】第２実施形態の変形例に係る樹脂封止体９０２のＡＡ’の断面模式図である。
【図２３】第２実施形態の変形例に係る樹脂封止体９０２のＡＡ’の断面模式図である。
【図２４】第３実施形態に係る樹脂封止体９０３の斜視図である。
【図２５】第３実施形態に係る樹脂封止体９０３の回路図である。
【図２６】第３実施形態に係る樹脂封止体９０３の第一の絶縁材６０１とエミッタ側の絶縁層３０２と金属層４０２Ｕおよび４０２Ｌを取り除いた領域の外観斜視図である。
【図２７】第３実施形態に係る樹脂封止体９０３のＢＢ’断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に関するパワー半導体モジュールを図１から図６を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係るパワー半導体モジュールの斜視図である。本実施形態に係るパワー半導体モジュールは、樹脂封止体９０１と、冷却器８０３とを備える。図２は図１に示される樹脂封止体９０１の回路構成図である。樹脂封止体９０１は、図２に示す１ｉｎ１の回路を有する。制御端子のゲート端子２１とセンスエミッタ端子２５、パワー端子のエミッタ端子２２とコレクタ端子２３が引き出されている。また、裏面に位置する放熱面４３（図示せず）は、樹脂封止体９０１の放熱面である。第一の絶縁材６０１は、各端子２１、２２、２３、２５と放熱面４３を除く領域に充填されている。また、樹脂封止体９０１は冷却器８０３に伝熱シート７０３（図示せず）と第二の絶縁部材６０２（図示せず）を介し押圧状態で取り付けられている。
【００１８】
図３は、図１の樹脂封止体から第一の絶縁材６０１と第二の絶縁材６０２を取り除いた領域の斜視図である。樹脂封止体９０１は、半導体素子が搭載された回路と、回路の少なくとも一方の面に配置された絶縁層と、絶縁層の回路が配置されている面とは反対側の面に配置される金属放熱層と、金属放熱層の表面が露出するように回路、絶縁層及び金属放熱層を封止する第一の絶縁材と、金属放熱層の表面に配置される伝熱シートと、伝熱シートの表面が露出するように第一の絶縁材及び伝熱シートを封止する第二の絶縁材と、を備える。
【００１９】
本実施形態では、絶縁層としてセラミックス絶縁層３０３を用いており、半導体素子として、ＩＧＢＴ１０１およびダイオード１１０を用いている。ＩＧＢＴ１０１およびダイオード１１０は、セラミックス絶縁層３０３の上方に設けられた回路パターン２０３に搭載される。ここで、ＩＧＢＴとは絶縁ゲート側バイポーラトランジスタの略称である。また、セラミックス絶縁層３０３の下方には金属放熱層４０３が設けられている。金属放熱層４０３は、第一の絶縁材６０１から露出している放熱面４３を有しており、放熱面４３は伝熱シート７０３を介し押圧状態で冷却器８０３に取り付けられている。ここで、伝熱シートとは、カーボンシートのような熱伝達材料からなるシートである。伝熱シートは、金属放熱層の放熱面４３に接するように配置される。
【００２０】
詳細は後述するが、金属放熱層４０３や伝熱シート７０３の幅や奥行きは、コレクタ回路２０３の幅や奥行きに対して小さい。ここで、幅とは、長手方向の長さであり、奥行きとは短手方向の長さである。
【００２１】
図４は、図３の点線ＡＡ’部を矢印方向からみた断面図である。ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極およびダイオード１１０のカソード電極は、セラミック絶縁層上に設けられたコレクタ回路２０３に対し、金属接合部５０３を介して電気的に接合されている。図４において、セラミックス基板１３は、金属放熱層４０３とセラミックス絶縁層３０３とコレクタ回路２０３とを備える。ＩＧＢＴ１０１やダイオード１１０で発生した熱は、金属接合部５０３、コレクタ回路２０３、セラミックス絶縁層３０３、金属放熱層４０３や伝熱シート７０３を介して冷却器８０３に伝達され冷却される。
【００２２】
本実施形態では、金属放熱層４０３は、金属放熱層４０３とコレクタ回路２０３の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部が回路の射影部に包含されるように設けられている。また、伝熱シート７０３は、伝熱シートと絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が前記絶縁層の射影部に包含されるように設けられている。つまり金属放熱層４０３や伝熱シート７０３の幅を、コレクタ回路２０３の幅に対して小さくしている。絶縁層の周囲を樹脂で封止する場合、絶縁層と樹脂の界面において界面剥離が生じる。界面剥離が起こると空気の絶縁破壊（コロナ放電）を発生させ、絶縁部が劣化する虞がある。そのため、放熱性よりも絶縁性を優先させる必要があり、金属放熱層の幅をコレクタ回路の幅よりも小さくしている。伝熱シート７０３の幅がコレクタ回路２０３の幅よりも広い場合と、第１実施形態との絶縁信頼性の比較検証について図５から図８までの電界解析結果を用い説明する。
【００２３】
図５(ａ)に本発明の比較例に係るパワー半導体モジュールの樹脂封止体９００の断面模式図を示す。樹脂封止体９００の伝熱シート７０３は、伝熱シート７０３とコレクタ回路２０３の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が回路の射影部に包含されるように設けられていない。つまり、図４に示した樹脂封止体９０１との違いは、伝熱シート７０３の幅がコレクタ回路２０３の幅よりも大きい点にある。
【００２４】
図５(ｂ)に電界集中部となるコレクタ回路２０３端部の電界解析結果を示す。ここで、第一の絶縁材６０１の比誘電率を４.５、セラミックス絶縁層３０３の比誘電率を９.０で計算した。次に、図６に図４に示す本実施形態の樹脂封止体９０１の電界集中部となるコレクタ回路２０３端部の電界解析結果を示す。効果をわかりやすくするため、第二の絶縁材６０２の比誘電率を第一の絶縁材６０１の比誘電率と同じ４.５で計算した。解析の結果、樹脂封止体９００の電界強度を１００％とすると、樹脂封止体９０１の電界強度は８１％と約２０％低下した。この電界強度の低下は、高い導電率を持つ伝熱シートがコレクタ回路端部から一定の距離をとるためであり、絶縁距離拡大によるものである。電界強度の低下により、モジュールの破壊電圧やコロナ放電耐性の向上が可能となる。
【００２５】
図７と図８を用いて本構成の効果範囲を説明する。図７は、伝熱シート７０３の幅をセラミックス絶縁層３０３と同様まで小さくするとともに、これにより発生した冷却器と樹脂封止体との空間に比誘電率４.５の第二の絶縁材を設置した場合の計算結果である。図８は、伝熱シート７０３の幅をコレクタ回路２０３と同様にまで小さくするとともに、発生した冷却器と樹脂封止体の空間に比誘電率４.５の第二の絶縁材を設置した場合の計算結果である。図５に示す樹脂封止体に対し、図７、図８に示す樹脂封止体は、電界強度がそれぞれ２％、１０％低減した。このことから、電界強度の低減効果は伝熱シート７０３の幅をセラミックス絶縁層３０３の幅まで小さくした際に現れ、コレクタ回路の幅付近まで伝熱シート７０３の幅を狭くすることで十分な低減効果を発揮することがわかった。したがって、伝熱シートと絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が絶縁層の射影部に包含されることが好ましい。図７と図８に示される電界強度の低減は、絶縁距離拡大によるものでなく、伝熱シートの端部がコレクタ回路端部に接近することにより、伝熱シート端部に電界が集中し、コレクタ回路の電界集中が分散された結果である。
【００２６】
以下に、本発明のパワー半導体モジュールを構成する材料について説明する。
【００２７】
セラミックス絶縁層３０３は、絶縁耐圧が高い窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等が用いられる。特に、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや窒化珪素が望ましい。セラミックス絶縁層３０３の厚さは、パワー半導体モジュールに必要な絶縁特性にあわせ、０.１〜１.５ｍｍの範囲に設定される。セラミックス絶縁層は、樹脂をマトリックスし、アルミナ、窒化ホウ素、イットリア（酸化イットリウム）、窒化アルミ等の高熱伝導フィラーを混合したシート状の構成とすることも可能である。
【００２８】
コレクタ回路２０３には、電気抵抗が低い銅やアルミニウム、それらの合金が用いられる。コレクタ回路２０３とセラミックス絶縁層との間には、低熱膨張で熱伝導率が高いモリブデンやタングステンやカーボン、それらの材料と銅やアルミニウムとの複合材からなる中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。コレクタ回路２０３の厚さは、必要な電流容量にあわせ、０.２〜２.０ｍｍの範囲に設定される。
【００２９】
金属放熱層４０３には、熱伝導率の高い銅やアルミニウム、それらの合金が用いられる。また、回路側と同様に、金属放熱層とセラミックス絶縁層間に低熱膨張で熱伝導率が高いモリブデンやタングステンやカーボン、それらの材料と銅やアルミニウムとの複合材からなる中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。
【００３０】
第一の絶縁材６０１には、例えば、接着性のあるノボラック、多官能、ビフェニル、フェノール型のエポキシ樹脂系、ビスマレイミドトリアジン系、シアネートエステル系を基にした樹脂を用いることができる。これらの樹脂に、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどのフィラーを含有させ、熱膨張係数を３〜２３ｐｐｍ/ＫとＩＧＢＴや回路２０３に近づけ、熱膨張係数の差を低減する。また、ヤング率を１〜数十ＧＰａの範囲に設定する。このような熱膨張係数やヤング率の樹脂を用いることにより、使用環境時の温度上昇に伴って発生する熱応力が大幅に低下するため、パワー半導体モジュールの寿命を延ばすことが可能となる。
【００３１】
金属接合部５０３は、例えば、はんだ材や微細金属粒子、酸化金属粒子を主体とした低温焼結接合材等が用いられる。はんだ材には、第一の絶縁材６０１の硬化温度よりも融点が高い錫、ビスマス、亜鉛、金等が主成分であるはんだを用いることができる。微細金属粒子には、凝集保護材で被覆された銀や銅の微粒子であり、特に、凝集保護材ははんだ材と同等の低温で脱離可能なものが適用可能である。酸化金属粒子には、酸化銀や酸化銅等のはんだ材と同等の低温で還元可能な酸化金属が適用可能である。微細銀粒子および微細銅粒子、酸化銀、酸化銅粒子を用いた場合には、金属接合部は焼結銀層や焼結銅層となる。
【００３２】
伝熱シート７０３には、シート状で熱伝導率が高い材料が用いられる。また、ヤング率が金属放熱層４０３や第一の絶縁材６０１よりも低い材料を用いる。伝熱シート７０３のヤング率を、第一の絶縁材６０１よりも小さくすることによって、熱応力を低減でき、樹脂封止体の信頼性向上に対し有効となる。具体的には、伝熱シート７０３のヤング率は１〜５００ＭＰａにすることが好ましい。使用環境下で樹脂封止体９０１が反り変形した際に、伝熱シート７０３が変形し外周部にはみ出し絶縁性が劣化するため、ヤング率は１ＭＰａよりも大きい方が好ましい。特に、高熱伝導の点から、高熱伝導な導電性の金属やカーボン系のシートがより望ましい。さらに、アクリルやシリコーンやウレタン系の樹脂にカーボンフィラーを含有させることで、柔軟性を向上した構造にすることが可能である。また、金属放熱層４０３の表面を露出させるとともに、伝熱シート７０３を金属放熱層４０３や冷却器８０３の両方に対して、化学的、あるいは金属的な接合させず、押圧により密着させる設置構造とすることで、シートに発生する応力を低減することが可能になる。金属放熱層と、冷却器との間には、はんだ材料でなく、伝熱シートを配置することによって、樹脂封止体の組み立て性が向上し、製造が簡易となる。
【００３３】
第二の絶縁材６０２は、絶縁性の樹脂を用いることが可能である。第二の絶縁材６０２を設置することで、第二の絶縁材を設置しないときよりも絶縁性を向上することが可能である。第二の絶縁材６０２も化学的な、あるいは金属的な接合させず、押圧により密着させる設置構造とすることで、第二の絶縁材６０２に発生する応力を低減することが可能になる。なお、第二の絶縁材をシート状にするために、硬化処理を事前におこなうことが可能である。
【００３４】
また、第二の絶縁材について硬度の低い材料を用いることにより伝熱シートの信頼性を向上できる。第二の絶縁材の硬度は、第一の絶縁材＞伝熱シート＞第二の絶縁材とすることが好ましい。
【００３５】
樹脂封止体は、第二の絶縁材６０２と伝熱シート７０３を押圧した際に、伝熱シート７０３を介して放熱される。使用環境下で伝熱シート７０３に対して押圧が付与できるよう、第二の絶縁材６０２は、第一の絶縁材６０１や伝熱シート７０３よりもヤング率が小さい材料が好ましい。このような材料には、アクリルやシリコーンやウレタン系の樹脂のほか、熱可塑性エラストマー、シリコーンゲル等がある。ヤング率は１ＭＰａ未満とした方が好ましい。このように、伝熱シートよりも十分やわらかくすることで、伝熱シートよりもやや厚く供給厚を設定すれば、押圧した際に伝熱シートに十分な押圧力が発生するまで圧縮できるためである。
【００３６】
以下に、本実施形態で得られる効果を説明する。
【００３７】
本実施形態では、金属放熱層は、金属放熱層と回路の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部が回路の射影部に包含されるように設けられ、伝熱シートは、伝熱シートと絶縁層の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部が絶縁層の射影部に包含されるように設けられている。このように金属放熱層４０３や伝熱シート７０３の幅を、回路層２０３に対して小さくすることにより、電界集中部となる回路端部の電界を緩和することが可能となる。その結果、樹脂封止体９０１のコロナ放電開始消滅電圧の向上や破壊電圧の向上が可能となる。その結果、パワー半導体モジュールの絶縁信頼性を向上できる。
【００３８】
また、本実施形態では、使用環境下で絶縁部の信頼性を保持するために、パワー半導体モジュールが以下の構成の樹脂封止体を備える。金属放熱層４０３はその表面が露出し、同一平面状に第一の絶縁材６０１が存在している。第一の絶縁材６０１は金属放熱層４０３の側面に接着している。これらの構造により、伝熱シート４０３を金属放熱層４０３よりも広く設置しても、伝熱シートが金属放熱４０３の側面に侵入することがないため、絶縁信頼性を向上することが可能となる。
【００３９】
伝熱シート７０３は金属放熱層４０３の露出している表面に接するように配置している。伝熱シート７０３は、金属放熱層４０３及び冷却器８０３の両方に対して、化学的、あるいは金属的な接合させず、押圧により密着している設置構造である。このように、金属放熱層４０３や第一の絶縁材６０１を介して樹脂封止体９０１は冷却器８０３に対して直接接合や接着していないので、伝熱シート部や封止樹脂部に発生する熱応力を大幅に低減できる。
【００４０】
さらに、第二の絶縁材６０２を伝熱シート７０３の外周部に設置することで、絶縁性を向上するとともに、伝熱シートの外周部へのはみ出しを抑制することが可能となる。
【００４１】
熱応力が大きくなる回路２０３の端部、セラミックス絶縁層３０３の端部、金属放熱層４０３端部に対しては、伝熱シート７０３や第二の絶縁材６０２よりもヤング率が高い第一の絶縁材６０１で封止することで、熱応力を低減できる。これにより樹脂封止体９０１の反り変形を小さくすることが可能となり、伝熱シート７０３や第二の絶縁材６０２に発生する熱応力を低減できる。また、応力が集中するセラミックス絶縁層３０３の端部を被覆する絶縁材を１種類の材料を用いて封止している。これにより、二種類以上の材料で封止した場合に問題となる界面応力の発生や亀裂が発生した際の進展部をセラミックス絶縁層３０３との界面から離すことが可能となり絶縁性が向上する。
【００４２】
＜第１実施形態の変形例１＞
図９を用いて、絶縁性に優れた第１実施形態のパワー半導体モジュールの変形例１を説明する。
【００４３】
図９(ａ)は図３のＡＡ’を矢印方向から見た断面図である。変形例２に係るパワー半導体モジュールが備える樹脂封止体は、金属放熱層が、伝熱シートと金属放熱層の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部が、伝熱シートの射影部に包含するように設けられている。また、伝熱シートは、伝熱シートと回路の積層方向に沿って投影した場合、伝熱シートの射影部がコレクタ回路の射影部に包含するように設けられている。つまり、伝熱シート層７０３の幅は金属放熱層４０３よりも大きく、回路層２０３よりも小さい点が図４の樹脂封止体と異なる。図９(ｂ)に電界解析の結果を示す。電界強度は８３％であり、図５(ｂ)と比較すると、電界強度を１７％低減できた。この結果より、伝熱シートの幅が金属放熱層の幅よりも大きくても伝熱シートの幅が回路層の幅よりも小さい場合、第１実施形態と同程度の絶縁性向上効果があることが分かる。
【００４４】
さらに、伝熱シートの幅を大きくすることで、伝熱シート内部での平面方向の熱広がり効果を発揮できる効果が追加される。この構成により、図６の第１実施形態に比較して樹脂封止体９０１の熱抵抗を低減することが可能となる。
【００４５】
＜第１実施形態の変形例２＞
図１０を用いて、絶縁性に優れた第１実施形態のパワー半導体モジュールの変形例２を説明する。
【００４６】
変形例２に係るパワー半導体モジュールが備える樹脂封止体は第二の絶縁材６０２が第一の絶縁材６０１よりも比誘電率が低い点が第１実施形態と異なる。図１０は電界解析結果である。変形例２において、第二の絶縁材の比誘電率３．５、第一の絶縁材６０１の比誘電率は４．５である。
【００４７】
図１０に示すように、第一の絶縁材よりも比誘電率が低い第二の絶縁材を用いることにより、電界強度は７５％まで低減できる。第１実施形態と比較しても、絶縁性能を向上することが可能となる。
【００４８】
＜製造プロセス＞
以下に、本発明に関するパワー半導体モジュールの製造プロセスの例を図１１から図１４を用いて説明する。
【００４９】
図１１は、セラミックス基板１３のコレクタ回路２０３にＩＧＢＴ１０１とダイオード１１０を搭載する工程を示す。ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極およびダイオード１１０のカソード電極は、コレクタ回路２０３に対し、金属接合部５０３を介して電気的に接合される。金属接合部と回路層との接合は、水素や不活性雰囲気中で２５０〜３５０℃まで加熱して行われる。
【００５０】
セラミックス絶縁層を、樹脂をマトリックスし、アルミナや窒化ホウ素やイットリアや窒化アルミ等の高熱伝導フィラーを混合したシート状の構成とした場合は、耐熱性の観点より金属接合部５０３の接合後にメタライズ層４０３とともに取り付けるプロセスが望ましい。
【００５１】
回路２０３と金属放熱層４０３は、例えば強固な接合ができるロウ材を用いてセラミックス絶縁層３０３に対して接合される。ロウ材の融点は、上記のＩＧＢＴ１０１やダイオード１１０をコレクタ回路２０３に接合する温度よりも高い方がよい。この時、セラミックス絶縁層をはさんで、回路と金属放熱層の熱膨張率差とヤング率から求まる熱応力が等しくなるようにすることが望ましい。本実施形態では、回路の幅を金属放熱層の幅よりも広くしてあるので、同一組成の材料を用いた場合は、やや厚くすることが好ましい。
【００５２】
図１２は、制御端子のゲート端子２１とセンスエミッタ端子２５、パワー端子のエミッタ端子２２とコレクタ端子２３を搭載する工程を示す。図１２に示すように、制御端子のゲート端子２１とセンスエミッタ端子２５、パワー端子のエミッタ端子２２とコレクタ端子２３は、帯状に一体化されている。ＩＧＢＴ１０１のゲート電極はゲート端子２１に対し、電気抵抗が小さいＡｌやＣｕ製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する（図示せず）。同様にＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極、ダイオード１１０のアノード電極はエミッタ端子２２に対し、電気抵抗が小さいＡｌやＣｕ製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する（図示せず）。コレクタ回路２０３は、コレクタ端子２３に対し、電気抵抗が小さいＡｌやＣｕ製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する（図示せず）。センスエミッタ端子２５は、ＩＧＢＴ１０１にセンスエミッタ電極がある場合はセンスエミッタ電極と、ない場合はエミッタ電極に対し電気抵抗が小さいＡｌやＣｕ製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する（図示せず）。ＡｌやＣｕ製のワイヤやリボン等に変えて、ＡｌやＣｕのリード材を用意して、金属接合部５０３を用いて接合してもよい。その場合は、図７に示す工程で同時に行うことができる。
【００５３】
図１３(ａ)は、トランスファーモールド工程後の外観斜視図を示している。上述の帯状の一体部２０を封止後に切断し、端子間の絶縁を確保することで、図１３(ｂ)に示す樹脂封止体９０１が完成する。
【００５４】
第一の絶縁材６０１の、封止硬化温度は１５０〜２００℃の範囲とすることが好ましい。第一の絶縁材６０１で封止する前には、回路、端子、セラミックス絶縁層、金属放熱層、半導体チップ、金属接合部に対して第一の絶縁材６０１と密着強度を向上する処理を施すことが望ましい。例えば、ポリアミドイミドやポリイミドなどの塗布膜を形成する手法や表面を粗化する手法をとる。
【００５５】
図１４は、樹脂封止体９０１を水路８０３に取り付ける工程を示している。第二の絶縁材６０２は額縁状の形状をとっている。例えば、その外形を第一の絶縁材６０１の外形にあわせて位置合わせをしやすくすることが可能である。第１実施形態では、第一の絶縁材６０１と外形を合わせているが、水路にあわせることも可能である。一方、第二の絶縁材の額縁状の形状の内径は、伝熱シート７０３の外形にあわせて、位置合わせをしやすくすることが可能である。位置合わせがしやすくなるため、生産性を向上できる。この状態で水路に設置し、ボルトあるいはバネ加圧等で押圧した状態とする。
【００５６】
また、図１に示すように、一つの水路に複数の樹脂封止体を設置することも可能であり、複数の伝熱シート７０３を設置できる枠を設けた第二の絶縁材６０２とすることで、位置合わせできるようにすることが可能である。
【００５７】
以下に、本実施形態で得られる効果を説明する。
【００５８】
樹脂封止体９０１の使用環境下で必要な耐熱性の順序は、金属接合部５０３、第一の絶縁材６０１、伝熱シート７０３、第二の絶縁材６０２の順である。これに対し、プロセス温度が使用環境下で想定される温度よりも高いとしても、本実施形態のように製造プロセスの順序が、使用環境下で必要な耐熱温度の順序になっていることで、プロセス時に発生する熱応力を小さくすることが可能である。これにより、絶縁部に発生する亀裂や剥離などを防止でき、パワー半導体モジュールの絶縁信頼性を向上できる。
【００５９】
本実施形態のように、ゲート端子２１、エミッタ端子２２、コレクタ端子２３、センスエミッタ端子２５を同一平面から引き出している。これにより、第一の絶縁材６０１をトランスファーモールドの金型に設置する場合、端子間位置を高精度に位置決めできる。位置ずれが発生すると、樹脂漏れや型締め時の過大な応力が発生する。帯状の一体部２０を用いてトランスファーモールドすることで、放熱面である金属放熱層４０３の一面を露出するとともに、ＩＧＢＴ１０１、ダイオード１１０、セラミックス３０３等の脆性部材に対し、これらの部材が露出しないように樹脂６０１で封止できる。これにより、放熱面を第一の絶縁材６０１に対し平行に設置でき、水路８０３とのクリアランスを平行に設定することが可能となる。また、露出した金属放熱層４０３の同一平面上に、第一の絶縁材６０１が存在する状態にできる。これにより、押圧時の均一性を付与できる。また、第一の絶縁材６０１でＩＧＢＴ１０１、ダイオード１１０、セラミックス３０３等の脆性部材を被覆しているため、直接応力がかからない状態にでき、研削や機械加工等による追加工を実施することが可能になる。
【００６０】
＜製造プロセスの変形例２＞
図１５は、樹脂封止体９０１を水路８０３に取り付ける工程を示している。伝熱シート７０３は樹脂封止体９０１の放熱面４３に仮付けしてボルトあるいはバネ加圧等で押圧した状態で設置する。水路側には、額縁状の第三の絶縁部材６０３が取り付けられる。伝熱シート７０３の外周部の残った空間に第二の絶縁材６０２が注入される。その後、絶縁材を硬化するために熱処理をおこなう。額縁状の第三の絶縁部材６０３は、例えばＰＰＳ、ＰＢＴ等の熱可塑性絶縁材料が用いられる。
【００６１】
図示しないが、絶縁材料で形成した額縁状の壁面６０３に、樹脂封止体の端子２１、２２、２３、２５を設置する凹部や貫通穴を設けて水路と樹脂封止体の位置決めを行うことが可能である。また、加圧部品の支持部として額縁状の第三の絶縁部材６０３を用いることも可能である。
【００６２】
＜第２実施形態＞
本発明に関するパワー半導体モジュールの一例を図１６から図１９を用いて説明する。なお、第２実施形態、第３実施形態では、第１実施形態と同一の構成については説明を省略する。
【００６３】
図１６は、本発明に関するパワー半導体モジュールの一例の斜視図である。複数の樹脂封止体９０２は伝熱シート７０３を介して（図示せず）複数の水路８０４に挟まれている。図１７に示す樹脂封止体９０２は、第１実施形態と同様に図２に示す１ｉｎ１の回路を有する。図中表面に位置する放熱面４２と裏面に位置する放熱面４３（図示せず）は、それぞれ樹脂封止体９０２の放熱面である。また、制御端子のゲート端子２１とセンスエミッタ端子２５、パワー端子のエミッタ端子２２とコレクタ端子２３が同一方向に引き出されている。第一の絶縁材６０１は、各端子２１、２２、２３、２５と放熱面４２、４３を除く領域に充填されている。
【００６４】
図１８は、図１７から第一の絶縁材６０１を取り除いた領域の斜視図を示している。本実施形態では、搭載するパワー半導体デバイスとして、２枚のＩＧＢＴ１０１および２枚のダイオード１１０とを備えている。２枚のＩＧＢＴ１０１および２枚のダイオード１１０は、表裏に回路パターンと金属放熱層を有するエミッタ電極側のセラミックス基板１２とコレクタ電極側のセラミックス基板１３に挟まれた形態をとっている（理解を助けるために図示している）。
【００６５】
図１９は、図１８の点線ＡＡ’部の断面図である。ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極は、金属放熱層４０３とセラミックス絶縁層３０３を有する絶縁基板１３に設けられたコレクタ回路２０３に対し、金属接合部５０３を介して電気的に接合されている。ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極１０２は、金属放熱層４０２とセラミックス絶縁層３０２を有する絶縁基板１２に設けられたエミッタ回路２０２に対し、金属接合部５０２と突出部２０２Ａを介して電気的に接合されている。
【００６６】
また、セラミックス基板１２、１３のＩＧＢＴ搭載面の反対側の面には、放熱面４２と４３が形成されている。ＩＧＢＴ１０１のアクティブ部で発生した熱は、絶縁基板１３を伝熱する経路と、突出部２０２Ａから絶縁基板１２を垂直方向に伝熱する経路の二つがある。表裏方向と二つの放熱経路を有する樹脂封止体備えるパワー半導体モジュールを両面冷却型のパワー半導体モジュールと定義する。
【００６７】
エミッタ回路２０２に設けた突出部２０２Ａは、第一の絶縁材６０１の絶縁特性から決まるエミッタ回路２０２／コレクタ回路２０３間の絶縁距離を制御する機能を持つ。突出部２０２Ａは、接合プロセス時に自立できるように、設置面の幅や奥行きを厚みよりも大きい形状としている。次に、金属接合部５０２よりも突出部２０２Ａの厚みを大きくし、接合時の傾きや厚みばらつきが小さくなるようにしている。さらに、組立性を向上するため、突出部２０２Ａのエミッタ電極１０２への設置面の幅や奥行きは、エミッタ電極１０２よりも小さくしている。
【００６８】
突出部２０２Ａには、低電気抵抗かつ低熱抵抗になるよう、熱伝導率の高い銅やアルミニウム、モリブデン、タングステン、カーボン、それらの合金、複合材を選択した方が望ましい。また、それらを組み合わせ、銅やアルミニウムに対する低熱膨張な中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。
【００６９】
セラミックス絶縁層３０２、３０３は、第１実施形態と同様に、絶縁耐圧が高い窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等が用いられる。第２実施形態に係るパワー半導体モジュールの樹脂封止体では、表裏のセラミックス絶縁層の厚さを同等にすることで、樹脂封止体の熱応力による変形を小さくすることができる
【００７０】
ＩＧＢＴ１０１の主電極であるエミッタ電極１０２やコレクタ電極１０３を搭載するエミッタ回路２０２やコレクタ回路２０３には、第１実施形態と同様な材料を用いることができる。また、第１実施形態と同様に中間層を設置しても良い。
【００７１】
金属放熱層４０２、４０３には、第１実施形態と同様な材料を用いることができる。また、金属放熱層とセラミックス絶縁層間に第１実施形態と同様に中間層を設置しても良い。
【００７２】
回路部２０２、２０３と金属放熱層４０２、４０３は、例えばセラミックス３０２、３０３と強固な接合ができるロウ材を用いて接合される。この時、セラミックス絶縁層をはさんで、回路と金属放熱層の熱膨張率差とヤング率から求まる熱応力が等しくなるようにする方が望ましい。
【００７３】
第一の絶縁材６０１には、第１実施形態と同様な材料を用いることができる。第一の絶縁材６０１に上述の樹脂を用いで封止する前には、回路、端子、セラミックス絶縁層、金属放熱層、半導体チップ、金属接合部に対して第一の絶縁材６０１と密着強度を向上する処理を施すことが望ましい。例えば、ポリアミドイミドやポリイミドなどの塗布膜を形成する手法をとる。
【００７４】
エミッタ電極１０２、コレクタ電極１０３を接合する金属接合部５０２、５０３、伝熱シート７０２、７０３、第二の絶縁材には、第１実施形態と同様な材料を用いることができる。
【００７５】
第２実施形態に係る樹脂封止体において、コレクタ回路２０３と金属放熱層４０３と伝熱シート７０３を積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部がコレクタ回路の射影部及び伝熱シートの射影部に包含され、伝熱シートの射影部がコレクタ回路の射影部に包含される。従って、コレクタ回路２０３の幅は、金属放熱層４０３の幅よりも大きい。伝熱シート７０３の幅は、コレクタ回路２０３の幅よりも小さく、金属放熱層４０３の幅よりも大きい。
【００７６】
また、エミッタ回路２０２と金属放熱層４０２と伝熱シート７０２の積層方向に沿って投影した場合、金属放熱層の射影部がエミッタ回路の射影部及び伝熱シートの射影部に包含され、伝熱シートの射影部がエミッタ回路の射影部に包含される。したがって、エミッタ回路２０２の幅は、金属放熱層４０２の幅よりも大きい。伝熱シート７０２は、エミッタ回路２０２の幅よりも小さく、金属放熱層４０２の幅よりも大きい。
【００７７】
このように伝熱シート７０２、７０３の幅はセラミックス絶縁層３０２、３０３の幅よりも小さくすることで、電界集中部となるエミッタ回路２０２およびコレクタ回路２０３端部の電界を緩和し、樹脂封止体９０２の絶縁性能を向上することが可能となる。その結果、パワー半導体モジュールの絶縁信頼性を向上できる。
【００７８】
＜第２実施形態の変形例１＞
図２０から図２２は、本発明に関するパワー半導体モジュールの一例である。図２０は、第２実施形態の斜視図である。第２実施形態の変形例１に係るパワー半導体モジュールは、一方側に開口部を有すると共に他方側に凹部を有する隔壁部材（金属ケース）６１１と、一方側の開口部に収納される樹脂封止体、他方側の凹部に収納される冷却器８０４とを備え、樹脂封止体は、隔壁部材（金属ケース）を介して冷却器に挟まれるように収納されている。
【００７９】
図２１は理解を助けるための組み立て図である。金属ケース６１１の上面に設けられた開口部に複数の樹脂封止体９０２が挿入され、下面に設けられた凹部には、複数の水路８０４が交互に挿入される構造となっている。
【００８０】
図２２は図２０のパワー半導体モジュールの挿入部ＡＡ’の断面模式図であり、反時計周りに９０°回転している。樹脂封止体９０２と水路８０４の間には、金属ケース６１１が存在し、樹脂封止体９０２の放熱面４２、４３と金属ケース６１１の界面に、それぞれ伝熱シート７０２、７０３が設けられている。
【００８１】
この構造により、樹脂封止体９０２を水路８０４に押圧状態で設置した後、金属ケース６１１の開口部から第二の絶縁材６０２を漏れることなく充填することが可能となる。ここでは、伝熱経路に絶縁材６０２を設置するためのケース６１１を設けている点が異なる。樹脂封止体９０２の冷却性能を向上するため、金属ケース６１１の材質は、高熱伝導なＣｕやＡｌ、それらの合金とした方が好ましい。また、金属ケース６１１の厚みは薄い方がよく、１ｍｍ未満の厚さにした方がよい。
【００８２】
＜第２実施形態の変形例２＞
図２３を用いて、第２実施形態の変形例２を説明する。図２３は、図２０のパワー半導体モジュールの挿入部ＡＡ’の断面模式図であり、反時計周りに９０°回転している。樹脂封止体９０２と水路８０４の間には、金属ケース６１１が存在する。金属ケース６１１は、樹脂封止体９０２の端子側の１方向にのみ開口部を有した構造となっている。樹脂封止体９０２の放熱面４２、４３と金属ケース６１１の界面に、それぞれ伝熱シート７０２と７０３が設けられている。ここでは、さらに、水路８０４と金属ケース６１１との界面にも伝熱シート７０４と７０５が設置している点が異なる。
【００８３】
本実施形態では、金属ケース６１１の外側の水路側に設置した伝熱シートの幅を水路８０４の幅よりもせまくしている。このような構造にすることで、樹脂封止体９０２を水路８０４に押圧状態で設置した際、伝熱シート７０２と７０３の外周部の金属ケース６１１が水路側に変形する。電界集中部となるエミッタ回路２０２やコレクタ回路２０３の端部からの金属ケース６１１の距離が離すことができる。その結果、エミッタ回路２０２およびコレクタ回路２０３端部の電界を緩和し、樹脂封止体９０２の絶縁性能を向上することが可能となる。
【００８４】
＜第３実施形態＞
本発明に関する樹脂封止体の一例を図２４から図２７を用いて説明する。
【００８５】
図２４は本発明に関するパワー半導体モジュールの斜視図である。ここでは、樹脂封止体９０３の回路を図２５に示す２ｉｎ１の回路構成とした点が第２実施形態と異なる。第３実施形態のパワー半導体モジュールのように、上アーム回路と下アーム回路の２つのアーム回路を一体にモジュール化した構造を２ｉｎ１構造という。２ｉｎ１構造は、１つのアーム回路ごとにモジュール化する１ｉｎ１構造に比べ、出力端子の数を低減することができる。本実施形態では、２ｉｎ１構造の例を示したが、３ｉｎ１構造、４ｉｎ１構造又は６ｉｎ１構造等にすることにより、さらに端子数を低減することができる。２ｉｎ１構造の樹脂封止体を備えるパワー半導体モジュールでは、上アーム回路と下アーム回路を並べ、絶縁層を介して金属平板と対向して配置することにより、磁界相殺効果で回路のインダクタンスを低減することができる。
【００８６】
第３実施形態では、ＩＧＢＴ１０１とダイオード１１０が２個ずつ搭載されている。樹脂封止体９０３は、上アーム用ＩＧＢＴ１０１Ｕと下アーム用ＩＧＢＴ１０１Ｌとを直列したものである。また、樹脂封止体９０３の表裏面となる４２Ｕおよび４２Ｌ、４３Ｕおよび４３Ｌが冷却面となる。また、制御端子である上下アームのゲート端子２１Ｕ、２１Ｌと上下アームのセンスエミッタ端子２５Ｕ、２５Ｌ、パワー端子である下アームのエミッタ端子(直流負極接続端子)２２Ｌ、上アームのコレクタ端子(直流正極接続端子)２３Ｕ、中間端子（交流接続端子）２４Ｍがそれぞれ第一の絶縁材６０１から同一方向に引き出されている。
【００８７】
図２６は、回路図の理解を助けるために、図２４の第一の絶縁材６０１とセラミックス基板１２の絶縁層３０２と放熱部４０２Ｕおよび４０２Ｌを除いた領域の斜視図である。上アーム用ＩＧＢＴ１０１Ｕとダイオード１１０Ｕは、コレクタ電極とカソード電極がコレクタ回路２０３Ｕに接続され、エミッタ電極とアノード電極がエミッタ回路２０２Ｕに接続されている。下アーム用ＩＧＢＴ１０１Ｌとダイオード１１０Ｌは、コレクタ電極とカソード電極がコレクタ回路２０３Ｌに接続され、エミッタ電極とアノード電極がエミッタ回路２０２Ｌに接続されている。また、ＩＧＢＴ１０１はゲート電極とセンスエミッタ電極が設けられており、端子２１と２５に接続されている。また、上アームのエミッタ回路２０２Ｕと下アームのコレクタ回路２０３Ｌとが、中間電極２０２Ｍを介して接続されている。このように、中間電極２０２Ｍにより上アーム回路と下アーム回路とが電気的に接続され、図２５に示すような上下アーム直列回路が形成される。
【００８８】
図２７は、点線ＢＢ’の断面模式図である。絶縁層３０２のチップ搭載面には、上下アームのエミッタ回路２０２Ｕおよび２０２Ｌを設ける。裏面には、放熱層となる上下アームの金属放熱層４０２Ｕおよび４０２Ｌがそれぞれに設けられる。金属層４０２Ｕおよび４０２Ｌの幅は、それぞれのエミッタ回路２０２Ｕおよび２０２Ｌよりも小さくする。また、伝熱シート７０２についても、７０２Ｕおよび７０２Ｌとそれぞれ設けることで、第二の絶縁材６０２Ｂを設置できる空間を設ける。絶縁層３０３側も同様である。この構造にすることで、２ｉｎ１の回路であっても、電界集中部となる各エミッタ、コレクタ回路の端部の電界を緩和し、樹脂封止体９０３の絶縁性能を向上することが可能となる。
【００８９】
第一の絶縁材６０１により、金属放熱層４０２Ｕ、４０２Ｌ、４０３Ｕ、４０３Ｌが放熱面を除き封止されていることで、各放熱面を同一平面状にすることが可能である。これにより、伝熱シート７０２Ｕ、７０２Ｌ、７０３Ｕ、７０３Ｌと複数用いた際のクリアランスの均一化が可能となる。さらに、金属放熱層４０２Ｕ、４０２Ｌ、４０３Ｕ、４０３Ｌの側面を被覆していること、第二の絶縁材６０２が外周部に存在することで、伝熱シート７０２Ｕ、７０２Ｌ、７０３Ｕ、７０３Ｌの金属放熱層側面へ侵入を防止できる。これらの効果により、使用環境下の絶縁信頼性の維持を可能にする。
【００９０】
本実施形態では、絶縁層３０２、３０３を上下アームの回路や金属放熱層に対して、それぞれ一体としたことで製造プロセスでの生産性を向上できる。ただし、第一の絶縁材６０１、上下アームを一体とでき上記の効果を発揮できるので、絶縁層３０２Ｕと３０２Ｌ等それぞれに分割することも可能である。
【００９１】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１２…セラミックス基板、１３…セラミックス基板、１０１…ＩＧＢＴ、１１０…ダイオード、２１…ゲート端子、２２…エミッタ端子、２３…コレクタ端子、２４…中間端子、２５…センスエミッタ端子、２０２…エミッタ回路、２０３…コレクタ回路、３０２…セラミックス絶縁層、３０３…セラミックス絶縁層、４２…放熱面、４３…放熱面、４０２…金属放熱層、４０３…金属放熱層、５０２…金属接合部、５０３…金属接合部、６０１…第一の絶縁材、６０２…第二の絶縁材、６０３…第三の絶縁材、６１１…金属ケース、７０２…伝熱シート、７０３…伝熱シート、８０３…水路、８０４…水路
【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（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３（ａ）】
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【図１３（ｂ）】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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