(57)【要約】【課題】一対の半導体デバイスを少ない設置面積で冷却できる、小型、軽量化に適した構造の半導体装置を提供する。【解決手段】冷却装置３に絶縁材７とＰ極の電極板１７Ｐを順次載置して、隣り合う部品間を熱的にそれぞれ接続し、Ｐ極の電極板１７Ｐに上アームのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕを接合する。これらに熱伝導率の低い配線基板１５Ｕを介してバスバ１９を重ねて、隣り合う部品間を電気的にそれぞれ接続する。また、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕと対向するように、バスバ１９に下アームのＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌを接合して、これらにＮ極の電極板１７Ｎを接合し、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕ及びＰ極の電極板１７Ｐを経由する経路よりも熱伝導率が高いグラファイトブロック２３で、バスバ１９と絶縁材７とを直接熱的に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器（３）に載置されて該冷却器（３）と熱的に接続された絶縁材（７，７７，７９）と、
前記絶縁材（７，７７）に載置されて該絶縁材（７，７７）と熱的に接続された第１の電極板（１７Ｐ）と、
前記第１の電極板（１７Ｐ）に重ねて配置され、１つの端子（１１Ｕｃ，１３Ｕｋ）が前記第１の電極板（１７Ｐ）に接合された第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）と、
前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）に重ねて配置され、自身の熱伝導率よりも低い熱伝導率の経路で前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）の他の端子（１１Ｕｅ，１３Ｕａ）に電気的に接続された出力板（１９）と、
前記出力板（１９）を挟んで前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）と対向して配置され、１つの端子（１１Ｌｃ，１３Ｌｋ）が前記出力板（１９）に接合された第２の半導体デバイス（１１Ｌ，１３Ｌ）と、
前記第２の半導体デバイス（１１Ｌ，１３Ｌ）を挟んで前記出力板（１９）と対向して配置され、該第２の半導体デバイス（１１Ｌ，１３Ｌ）の他の端子（１１Ｌｅ，１３Ｌａ）に電気的に接続された第２の電極板（１７Ｎ）と、
前記第１の電極板（１７Ｐ）及び前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）を経由する経路よりも高い熱伝導率で前記出力板（１９）と前記絶縁材（７，７９）とを熱的に接続する伝熱部材（２３）と、
を備える半導体装置（１）。
【請求項２】
前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）の前記他の端子（１１Ｕｅ，１３Ｕａ）と前記出力板（１９）との間に断熱導電部材（１５Ｕ）が介設されている請求項１記載の半導体装置（１）。
【請求項３】
前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）の前記他の端子（１１Ｕｅ，１３Ｕａ）と前記出力板（１９）との間に介設された断熱導電部材（１５Ｕ）は、前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）の前記他の端子（１１Ｕｅ，１３Ｕａ）と前記出力板（１９）とにそれぞれ接合されて両者（１１Ｕｅ，１３Ｕａ，１９）を電気的に接続する配線基板（１５Ｕ）であり、該配線基板（１５Ｕ）から、前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）の制御信号入力用の信号線（２１Ｕ）が引き出されている請求項２記載の半導体装置（１）。
【請求項４】
前記第２の半導体デバイス（１１Ｌ，１３Ｌ）の前記他の端子（１１Ｌｅ，１３Ｌａ）と前記第２の電極板（１７Ｎ）との間に断熱導電部材（１５Ｌ）が介設されている請求項１、２又は３記載の半導体装置（１）。
【請求項５】
前記第２の半導体デバイス（１１Ｌ，１３Ｌ）の前記他の端子（１１Ｌｅ，１３Ｌａ）と前記第２の電極板（１７Ｎ）との間に介設された断熱導電部材（１５Ｌ）は、前記第２の半導体デバイス（１１Ｌ，１３Ｌ）の前記他の端子（１１Ｌｅ，１３Ｌａ）と前記第２の電極板（１７Ｎ）とにそれぞれ接合されて両者（１１Ｌｅ，１３Ｌａ，１７Ｎ）を電気的に接続する配線基板（１５Ｌ）であり、該配線基板（１５Ｌ）から、前記第２の半導体デバイス（１１Ｌ，１３Ｌ）の制御信号入力用の信号線（２１Ｌ）が引き出されている請求項４記載の半導体装置（１）。
【請求項６】
前記出力板（１９）は、前記第１の半導体デバイス（１１Ｕ，１３Ｕ）と前記第２の半導体デバイス（１１Ｌ，１３Ｌ）との間隔方向にグラファイトシート（１９ａ）と銅シート（１９ｂ）とを交互に積層して構成されており、前記グラファイトシート（１９ａ）は、前記間隔方向と直交する該グラファイトシート（１９ａ）の面方向において炭素の原子同士が共有結合した層状物質が前記間隔方向に層間結合して形成されている請求項１、２、３、４又は５記載の半導体装置（１）。
【請求項７】
前記伝熱部材（２３）は、複数のグラファイトシート（２３ａ）を積層して構成されており、該グラファイトシート（２３ａ）は、前記出力板（１９）と前記絶縁材（７，７９）との間隔方向に延在する面方向において炭素の原子同士が共有結合した層状物質が前記間隔方向に層間結合して形成されている請求項１、２、３、４、５又は６記載の半導体装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三相交流電動機に交流電力を供給するインバータには、上アームと下アームの一対のパワースイッチング素子及び還流用の整流素子（例えばダイオード）が、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相にそれぞれ設けられる。このため、インバータを設置する場所には、これらの素子等を実装した基板を配置するのに足りるスペースを確保する必要がある。
【０００３】
そこで、上アームと下アームとで基板を別にし積層することで、インバータの設置スペースを小さくできるようにした提案が存在する。この提案では、バスバーを挟んで上アームと下アームの各素子同士を向かい合わせに積層し、積層した各素子の外側に上アームと下アームの各基板を配置している。そして、上アームと下アームの各基板上の素子をそれぞれ冷却する冷却器を、各基板に外側からそれぞれ当接させる構成としている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０４２８９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１の提案の構成では、上アームと下アームとを積層することでインバータの設置面積を小さくできる利点がある。その反面、積層した上アームと下アームの両側に冷却器をそれぞれ配置するため、インバータが積層方向に大型化し、また、２つの冷却器の存在によりインバータ全体が重量化するという課題が生じる。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、上述したインバータのような半導体装置の一対の半導体デバイスを少ない設置面積で冷却できる、小型、軽量化に適した構造の半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様による半導体装置は、
冷却器に載置されて該冷却器と熱的に接続された絶縁材と、
前記絶縁材に載置されて該絶縁材と熱的に接続された第１の電極板と、
前記第１の電極板に重ねて配置され、１つの端子が前記第１の電極板に接合された第１の半導体デバイスと、
前記第１の半導体デバイスに重ねて配置され、自身の熱伝導率よりも低い熱伝導率の経路で前記第１の半導体デバイスの他の端子に電気的に接続された出力板と、
前記出力板を挟んで前記第１の半導体デバイスと対向して配置され、１つの端子が前記出力板に接合された第２の半導体デバイスと、
前記第２の半導体デバイスを挟んで前記出力板と対向して配置され、該第２の半導体デバイスの他の端子に電気的に接続された第２の電極板と、
前記第１の電極板及び前記第１の半導体デバイスを経由する経路よりも高い熱伝導率で前記出力板と前記絶縁材とを熱的に接続する伝熱部材と、
を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、一対の半導体デバイスを少ない設置面積で冷却できる、小型、軽量化に適した構造の半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態の半導体装置１は、不図示の直流電源からの直流電流を交流に変換して不図示の三相交流電動機に供給するインバータを構成するもので、半導体装置１を冷却する冷却装置３（請求項中の冷却器に相当）と共にモールド樹脂５によって被覆されている。
【００１２】
以下の説明では、図１中の左右方向をＸ軸方向、上下方向をＺ軸方向、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の双方と直交する紙面の表裏方向をＹ軸方向と称する。なお、図１の左下に記載した座標軸では、二次元の図面上で三次元方向を表現するために、Ｙ軸を便宜上Ｘ軸及びＺ軸と原点を同じくする斜め４５゜方向の矢印で示している。後述する第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す図２の断面図においても同様とする。
【００１３】
冷却装置３は、モールド樹脂５によって被覆された板状の冷却器本体３１と、冷却器本体３１から突設されてモールド樹脂５の被覆から外側に露出する複数の放熱フィン３３とを有している。冷却器本体３１と放熱フィン３３とは、熱伝導率の高い例えばアルミダイキャストによって形成されている。放熱フィン３３は、モールド樹脂５の外側に突出して、半導体装置１の周辺を流れる冷却用の空気流又は液体流中に露出している。
【００１４】
前記半導体装置１は、冷却器本体３１の放熱フィン３３が突設された面とは反対側の面３１ａに、半導体装置１と冷却器本体３１とを絶縁する絶縁材７（請求項中の絶縁材に相当）を介して配置されている。絶縁材７は、セラミック基板等で形成されており、絶縁材７の裏面に形成された接合用の金属パターン７１を半田等の接合材により冷却器本体３１の面３１ａに接合することで、冷却器本体３１に取り付けられて冷却装置３と熱的に接続されている。
【００１５】
そして、本実施形態の半導体装置１は、図中のＺ軸方向に積層した上アームの半導体ユニット１Ｕ及び下アームの半導体ユニット１Ｌを有している。また、半導体装置１は、上アーム及び下アームに共通のバスバ１９（請求項中の出力板に相当）と、熱伝達用のグラファイトブロック２３（請求項中の伝熱部材に相当）とを有している。
【００１６】
なお、半導体装置１は、三相交流電動機のＵ，Ｖ，Ｗの各相に対応して、上アーム及び下アームの各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌをそれぞれ３つずつ有している。
【００１７】
但し、図１の断面図では、断面上に存在する相の半導体ユニット１Ｕ，１Ｌを１つずつ図示し、残る２つの相の半導体ユニット１Ｕ，１Ｌの図示を省略している。
【００１８】
上アームの半導体ユニット１Ｕと下アームの半導体ユニット１Ｌには、半導体デバイスとして、半導体パワースイッチング素子とこれに並列接続された半導体整流素子とがそれぞれ設けられる。本実施形態では、半導体パワースイッチング素子としてＩＧＢＴを、半導体整流素子として還流ダイオードを、それぞれ用いるものとする。
【００１９】
次に、上アームと下アームの各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌの詳細な構成について説明する。上アームの半導体ユニット１Ｕは、上アームの半導体デバイス（請求項中の第１の半導体デバイスに相当）を構成するＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３Ｕと、これらが実装された配線基板１５Ｕ（請求項中の第１の半導体デバイスと出力板との間に介設されている断熱導電部材、第１の半導体デバイスと出力板とを電気的に接続する配線基板に相当）と、上アームに対応するＰ極の電極板１７Ｐ（請求項中の第１の電極板に相当）と、配線基板１５Ｕに接続される信号端子２１Ｕ（請求項中の第１の半導体デバイスの制御信号入力用の信号線に相当）とを有している。
【００２０】
同様に、下アームの半導体ユニット１Ｌは、下アームの半導体デバイス（請求項中の第２の半導体デバイスに相当）を構成するＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌと、これらが実装された配線基板１５Ｌ（請求項中の第２の電極板と第２の半導体デバイスとの間に介設されている断熱導電部材、第２の電極板と第２の半導体デバイスとを電気的に接続する配線基板に相当）と、下アームに対応するＮ極の電極板１７Ｎ（請求項中の第２の電極板に相当）と、配線基板１５Ｌに接続される信号端子２１Ｌ（請求項中の第２の半導体デバイスの制御信号入力用の信号線に相当）とを有している。
【００２１】
各アームのＩＧＢＴ１１Ｕ，１１Ｌの一つの面にはコレクタ端子１１Ｕｃ，１１Ｌｃが設けられており、反対側の面にはエミッタ端子１１Ｕｅ，１１Ｌｅ及びゲート端子１１Ｕｇ，１１Ｌｇが設けられている。また、各アームの還流ダイオード１３Ｕ，１３Ｌの一つの面にはカソード端子１３Ｕｋ，１３Ｌｋが設けられ、反対側の面にはアノード端子１３Ｕａ，１３Ｌａが設けられている。
【００２２】
各アームの配線基板１５Ｕ，１５Ｌは、セラミックやエポキシ樹脂等の絶縁材料で形成された母材１５Ｕａ，１５Ｌａを有している。各母材１５Ｕａ，１５Ｌａの一方の面には、大小２つの導電パターン１５Ｕｂ，１５Ｕｃ、１５Ｌｂ，１５Ｌｃがそれぞれ形成されている。各母材１５Ｕａ，１５Ｌａの他方の面にも、同じ形状及び配置で、大小２つの導電パターン１５Ｕｄ，１５Ｕｅ、１５Ｌｄ，１５Ｌｅがそれぞれ形成されている。
【００２３】
そして、上アームの配線基板１５Ｕの大きい導電パターン１５Ｕｂ，１５Ｕｄ同士は、母材１５Ｕａを貫通する複数のスルーホール１５Ｕｆによって電気的に接続されている。配線基板１５Ｕの小さい導電パターン１５Ｕｃ，１５Ｕｅ同士も、母材１５Ｕａを貫通する１つのスルーホール１５Ｕｇによって電気的に接続されている。
【００２４】
同様に、下アームの配線基板１５Ｌの大きい導電パターン１５Ｌｂ，１５Ｌｄ同士は、母材１５Ｌａを貫通する複数のスルーホール１５Ｌｆによって電気的に接続されている。配線基板１５Ｌの小さい導電パターン１５Ｌｃ，１５Ｌｅ同士も、母材１５Ｌａを貫通する１つのスルーホール１５Ｌｇによって電気的に接続されている。
【００２５】
このように構成された各アームの配線基板１５Ｕ，１５Ｌのうち、上アームの配線基板１５Ｕの一方の面に形成された大きい導電パターン１５Ｕｂには、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕのエミッタ端子１１Ｕｅと還流ダイオード１３Ｕのアノード端子１３Ｕａ（請求項中の第１の半導体デバイスの他の端子に相当）が、半田等の接合材により接合されている。
【００２６】
また、上アームの配線基板１５Ｕの一方の面に形成された小さい導電パターン１５Ｕｃには、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕのゲート端子１１Ｕｇが、半田等の接合材により接合されている。
【００２７】
小さい導電パターン１５Ｕｃに接続されたスルーホール１５Ｕｇには、上アームの信号端子２１Ｕの一端が挿通されて、ワイヤボンドレスでＩＧＢＴ１１Ｕのゲート端子１１Ｕｇに電気的に接続されている。信号端子２１Ｕの他端は、折曲されてモールド樹脂５の外側に引き出されている。
【００２８】
配線基板１５Ｕの反対側の面の大きい導電パターン１５Ｕｄは、半田等の接合材によりバスバ１９の一方の面に接合されている。バスバ１９については、後に詳しく説明する。配線基板１５Ｕの導電パターン１５Ｕｄと同じ面に形成された導電パターン１５Ｕｅは、モールド樹脂５に接している。
【００２９】
なお、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕのコレクタ端子１１Ｕｃと還流ダイオード１３Ｕのカソード端子１３Ｕｋ（請求項中の第１の半導体デバイスの１つの端子に相当）は、銅板で形成されたインバータのＰ極の電極板１７Ｐに、半田等の接合材により接合されている。
【００３０】
Ｐ極の電極板１７Ｐは、三相交流電動機のＵ，Ｖ，Ｗの各相に共通して１つのみ設けられている。したがって、Ｐ極の電極板１７Ｐは、図１で図示を省略した上アームの残る２つの半導体ユニット１ＵのＩＧＢＴ１１Ｕのコレクタ端子１１Ｕｃと還流ダイオード１３Ｕのカソード端子１３Ｕｋにも、半田等の接合材により接合されている。
【００３１】
そして、Ｐ極の電極板１７Ｐの、各相の上アームのＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３Ｕが接合された面とは反対側の面は、絶縁材７の表面に形成された接合用の金属パターン７３に、半田等の接合材により接合されている。Ｐ極の電極板１７ＰにおけるＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕ、絶縁材７と接合されていない部分は、モールド樹脂５の外側に引き出されている。
【００３２】
一方、各アームの配線基板１５Ｕ，１５Ｌのうち、下アームの配線基板１５Ｌの一方の面に形成された大きい導電パターン１５Ｌｂには、下アームのＩＧＢＴ１１Ｌのエミッタ端子１１Ｌｅと還流ダイオード１３Ｕのアノード端子１３Ｌａ（請求項中の第２の半導体デバイスの他の端子に相当）が、半田等の接合材により接合されている。
【００３３】
また、配線基板１５Ｌの一方の面に形成された小さい導電パターン１５Ｌｃには、下アームのＩＧＢＴ１１Ｌのゲート端子１１Ｌｇが、半田等の接合材により接合されている。
【００３４】
小さい導電パターン１５Ｌｃに接続されたスルーホール１５Ｌｇには、下アームの信号端子２１Ｌの一端が挿通されて、ワイヤボンドレスでＩＧＢＴ１１Ｌのゲート端子１１Ｌｇに電気的に接続されている。信号端子２１Ｌの他端は、折曲されてモールド樹脂５の外側に引き出されている。
【００３５】
配線基板１５Ｌの反対側の面の大きい導電パターン１５Ｌｄは、銅板で形成されたインバータのＮ極の電極板１７Ｎに、半田等の接合材により接合されている。配線基板１５Ｌの導電パターン１５Ｌｄと同じ面に形成された導電パターン１５Ｌｅは、モールド樹脂５に接している。
【００３６】
Ｎ極の電極板１７Ｎは、三相交流電動機のＵ，Ｖ，Ｗの各相に共通して１つのみ設けられている。したがって、Ｎ極の電極板１７Ｎは、図１で図示を省略した下アームの残る２つの配線基板１５Ｌの反対側の面の導電パターン１５Ｌｄにも、半田等の接合材により接合されている。
【００３７】
そして、Ｎ極の電極板１７Ｎの、各相の下アームの配線基板１５Ｌの導電パターン１５Ｌｄが接合された面とは反対側の面は、モールド樹脂５に接している。Ｎ極の電極板１７Ｎにおける配線基板１５Ｌの導電パターン１５Ｌｄと接合されていない部分は、モールド樹脂５の外側に引き出されている。
【００３８】
なお、下アームのＩＧＢＴ１１Ｌのコレクタ端子１１Ｌｃと還流ダイオード１３Ｌのカソード端子１３Ｌｋ（請求項中の第２の半導体デバイスの１つの端子に相当）は、半田等の接合材により、後述するバスバ１９の、配線基板１５Ｕの反対側の面の導電パターン１５Ｌｃ，１５Ｌｅが接合される面とは反対側の面に接合されている。
【００３９】
即ち、下アームのＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌは、バスバ１９及び上アームの配線基板１５Ｕを挟んで、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３Ｕと対向して配置される。この配置により、上アーム及び下アームの還流ダイオード１３Ｕ，１３Ｌをサージ電流が通過する際のインダクタンスの低減化を図ることができる。
【００４０】
ここで、バスバ１９の構成について説明する。バスバ１９は、図中の丸枠で囲んだ部分をＺ軸方向から矢視した図１右下の部分拡大図に示すように、図中のＸＺ平面に延在するグラファイトシート１９ａと銅シート１９ｂとを、バスバ１９の奥行き方向、即ち、図中のＹ軸方向に交互に積層して構成されている。したがって、バスバ１９の厚さ方向における両側の面には、グラファイトシート１９ａと銅シート１９ｂとが交互に露出している。
【００４１】
そして、バスバ１９の厚さ方向における一方側の面に、上アームの配線基板１５Ｕの導電パターン１５Ｕｄが接合され、他方側の面に、下アームのＩＧＢＴ１１Ｌのコレクタ端子１１Ｌｃと還流ダイオード１３Ｌのカソード端子１３Ｌｋとが接合されている。
【００４２】
なお、バスバ１９における配線基板１５Ｕの導電パターン１５Ｕｄや、ＩＧＢＴ１１Ｌのコレクタ端子１１Ｌｃ及び還流ダイオード１３Ｌのカソード端子１３Ｌｋが接合されていない部分は、モールド樹脂５の外側に引き出されている。
【００４３】
バスバ１９の各グラファイトシート１９ａは、面方向（ＸＺ平面方向）において炭素の原子同士が共有結合した層状物質を、厚さ方向（Ｙ軸方向）に層間結合して形成されている。
【００４４】
したがって、グラファイトシート１９ａは、原子同士が共有結合した面方向（ＸＺ平面方向）において、銅シート１９ｂの熱伝導率（例えば５００Ｗ／Ｋ）を大きく上回る熱伝導率（例えば１７００Ｗ／Ｋ）を有している。これに対し、層状物質が層間結合した厚さ方向（Ｙ軸方向）におけるグラファイトシート１９ａの熱伝導率は遙かに低い。
【００４５】
このように構成されたバスバ１９の熱抵抗は、バスバ１９の奥行き方向（Ｙ軸方向）については高く、バスバ１９の厚さ方向（Ｚ軸方向）及び延在方向（Ｘ軸方向）については低い。
【００４６】
グラファイトブロック２３は、バスバ１９の配線基板１５Ｕの導電パターン１５Ｕｄが接合された面と、絶縁材７の表面に形成された金属パターン７５とに、半田等の接合材により接合されている。
【００４７】
グラファイトブロック２３は、バスバ１９と絶縁材７との間隔方向に沿った図中のＹＺ平面に延在するグラファイトシート２３ａを、バスバ１９や絶縁材７の延在方向、即ち、図中のＸ軸方向に複数積層して構成されている。
【００４８】
各グラファイトシート２３ａは、バスバ１９と絶縁材７との間隔方向を含む面方向（ＹＺ平面方向）において炭素の原子同士が共有結合した層状物質を、バスバ１９や絶縁材７の延在方向に沿った厚さ方向（Ｘ軸方向）に層間結合して形成されている。
【００４９】
したがって、グラファイトシート２３ａは、原子同士が共有結合した面方向（ＹＺ平面方向）において、銅の熱伝導率（例えば５００Ｗ／Ｋ）を大きく上回る熱伝導率（例えば１７００Ｗ／Ｋ）を有している。これに対し、層状物質が層間結合した厚さ方向（Ｘ軸方向）におけるグラファイトシート２３ａの熱伝導率は遙かに低い。
【００５０】
このように構成されたグラファイトブロック２３の熱抵抗は、バスバ１９や絶縁材７の延在方向（Ｘ軸方向）については高く、バスバ１９と絶縁材７との間隔方向（Ｚ軸方向）については低い。また、バスバ１９と絶縁材７との間隔方向（Ｚ軸方向）におけるグラファイトブロック２３の熱抵抗は、バスバ１９の延在方向（Ｘ軸方向）におけるバスバ１９の熱抵抗よりも低い。
【００５１】
以上に説明した要素により、本実施形態の半導体装置１は、冷却装置３に絶縁材７を載置して冷却装置３と熱的に接続し、絶縁材７にＰ極の電極板１７Ｐを載置して熱的に接続して、Ｐ極の電極板１７Ｐに上アームのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕを接合して、これらのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕに重ねて配置したバスバ１９を、バスバ１９よりも熱伝導率が低い配線基板１５ＵによりＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕに電気的に接続した構成としている。
【００５２】
また、本実施形態の半導体装置１は、バスバ１９に下アームのＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌを接合して、これらのＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌを、バスバ１９を挟んで上アームのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕと対向させると共に、ＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌに接合したＮ極の電極板１７Ｎを、ＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌを挟んでバスバ１９と対向させた構成としている。
【００５３】
さらに、本実施形態の半導体装置１は、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕ及びＰ極の電極板１７Ｐを経由する経路よりも熱伝導率が高いグラファイトブロック２３によって、バスバ１９と絶縁材７とを直接熱的に接続した構成としている。
【００５４】
以上の説明からも明らかなように、本実施形態では、図中のＺ軸方向が、請求項中の第１の半導体デバイスと第２の半導体デバイスとの間隔方向や、出力板と絶縁材との間隔方向に相当している。
【００５５】
また、本実施形態では、上アームの半導体ユニット１Ｕの配線基板１５Ｕが、請求項中の第１の半導体デバイスと出力板との間に介設された断熱導電部材や、第１の半導体デバイスの他方の電極と出力板とを電気的に接続する配線基板に相当している。
【００５６】
さらに、本実施形態では、下アームの半導体ユニット１Ｌの配線基板１５Ｌが、請求項中の出力板と第２の半導体デバイスとの間に介設された断熱導電部材や、出力板と第２の半導体デバイスの一方の電極とを電気的に接続する配線基板に相当している。
【００５７】
次に、本実施形態の半導体装置１における上アームや下アームの各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌの放熱経路について説明する。
【００５８】
まず、上アームの各半導体ユニット１Ｕにおいては、発熱源となるＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３Ｕが、セラミックやエポキシ樹脂等の熱伝導率が低い絶縁材料で母材１５Ｕａが形成された配線基板１５Ｕと、熱伝導率が高い銅板製のＰ極の電極板１７Ｐとに接合されている。
【００５９】
このため、ＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕで発生した熱は、専ら、熱抵抗が高い配線基板１５Ｕよりも、熱抵抗が低いＰ極の電極板１７Ｐに伝わる。Ｐ極の電極板１７Ｐに伝わった熱は、金属パターン７３を介してＰ極の電極板１７Ｐに接合された絶縁材７に伝わる。
【００６０】
絶縁材７に伝わった熱はさらに、絶縁材７の金属パターン７１に接合された冷却装置３の冷却器本体３１に伝わる。冷却器本体３１に伝わった熱は、冷却器本体３１おいて冷媒により冷却され、あるいは、放熱フィン３３から周辺雰囲気に放熱される。
【００６１】
即ち、上アームの各半導体ユニット１Ｕにおいては、ＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３Ｕから絶縁材７を経て冷却装置３に至る放熱経路が、Ｐ極の電極板１７Ｐによって構成される。
【００６２】
次に、下アームの各半導体ユニット１Ｌにおいては、発熱源となるＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌが、セラミックやエポキシ樹脂等の熱伝導率が低い絶縁材料で母材１５Ｌａが形成された配線基板１５Ｌと、グラファイトシート１９ａと銅シート１９ｂとを積層した高熱伝導率のバスバ１９とに接合されている。
【００６３】
このため、ＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌで発生した熱は、専ら、熱抵抗が高い配線基板１５Ｌよりも、熱抵抗が低いバスバ１９に伝わる。ここで、バスバ１９は、厚さ方向（Ｚ軸方向）の熱抵抗が低く延在方向（Ｘ軸方向）の熱抵抗が高いので、ＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌからバスバ１９に伝わった熱は、専ら、熱抵抗が低い厚さ方向（Ｚ軸方向）に沿ってバスバ１９内を伝わる。
【００６４】
そして、バスバ１９の延在方向（Ｘ軸方向）におけるバスバ１９の熱抵抗よりも、バスバ１９と絶縁材７との間隔方向（Ｚ軸方向）におけるグラファイトブロック２３の熱抵抗の方が低いことから、バスバ１９内を伝わった熱はさらにグラファイトブロック２３に伝わって、グラファイトブロック２３内を専らバスバ１９と絶縁材７との間隔方向（Ｚ軸方向）に伝わる。
【００６５】
グラファイトブロック２３内を伝わった熱はさらに、バスバ１９と絶縁材７との間隔方向（Ｚ軸方向）におけるバスバ１９とは反対側の箇所でグラファイトブロック２３に接合された金属パターン７５を介して絶縁材７に伝わる。絶縁材７に伝わった熱はさらに、絶縁材７の金属パターン７１に接合された冷却装置３の冷却器本体３１に伝わる。冷却器本体３１に伝わった熱は、冷却器本体３１おいて冷媒により冷却され、あるいは、放熱フィン３３から周辺雰囲気に放熱される。
【００６６】
即ち、下アームの各半導体ユニット１Ｌにおいては、ＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌから絶縁材７を経て冷却装置３に至る放熱経路が、バスバ１９及びグラファイトブロック２３によって構成される。
【００６７】
なお、上アームや下アームのＩＧＢＴ１１Ｕ，１１Ｌでは、コレクタ端子１１Ｕｃ，１１Ｌｃ側での発熱の方が、エミッタ端子１１Ｕｅ，１１Ｌｅ及びゲート端子１１Ｕｇ，１１Ｌｇ側での発熱よりも大きい。
【００６８】
このため、上述した上アームの各半導体ユニット１ＵのＩＧＢＴ１１Ｕでは、発熱が大きい方のコレクタ端子１１Ｕｃが接合されるＰ極の電極板１７Ｐを、冷却装置３に接合した絶縁材７に接合する構成としている。
【００６９】
同様に、上述した下アームの半導体ユニット１ＬのＩＧＢＴ１１Ｌでは、発熱が大きい方のコレクタ端子１１Ｌｃを、半導体ユニット１Ｌから冷却装置３への放熱経路を構成するバスバ１９に接合する構成としている。
【００７０】
以上に説明したように、本実施形態の半導体装置１では、上アームと下アームの各半導体ユニット１Ｕ，１ＬのＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３ＵとＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌとを、バスバ１９を挟んで向かい合わせとなるように積層した。
【００７１】
そして、上アームの半導体ユニット１Ｕでは、ＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３Ｕで発生した熱をＰ極の電極板１７Ｐ及び絶縁材７を介して冷却装置３に放熱する構成とした。
【００７２】
また、下アームの半導体ユニット１Ｌでは、ＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌで発生した熱を、上アームの半導体ユニット１Ｕの放熱経路を構成するＰ極の電極板１７Ｐとは別の、バスバ１９及びグラファイトブロック２３を通る経路を経て、絶縁材７から冷却装置３に放熱する構成とした。
【００７３】
このため、各半導体ユニット１Ｕ，１ＬのＩＧＢＴ１１Ｕ，１１Ｌにおける、特に、発熱量が多いコレクタ端子１１Ｕｃ，１１Ｌｃや、還流ダイオード１３Ｕ，１３Ｌを、共通の冷却装置３を用いて冷却することができる。よって、絶縁材７に接合した冷却装置３とは別に、下アームの半導体ユニット１ＬのＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌの冷却装置を設けて、例えばＮ極の電極板１７ＮのＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌを接合した面とは反対側の面に接合する必要がない。
【００７４】
したがって、上アームの半導体ユニット１ＵのＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３Ｕと下アームの半導体ユニット１ＬのＩＧＢＴ１１Ｌ及び還流ダイオード１３Ｌとを積層して半導体装置１の設置面積を小さくする構成を実現する上で、半導体装置１の軽量化と、上アームと下アームの各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌの積層方向における小型化とを図ることができる。
【００７５】
また、本実施形態の半導体装置１では、上アームと下アームの各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌを共通の冷却装置３で冷却するのに当たり、下アームの半導体ユニット１Ｌから冷却装置３に至る放熱経路が、下アームの半導体ユニット１Ｌに積層した上アームの半導体ユニット１Ｕを経由しない。
【００７６】
このため、下アームの半導体ユニット１Ｌから伝わる熱によって、上アームの半導体ユニット１ＵのＩＧＢＴ１１Ｕ及び還流ダイオード１３Ｕが加熱されて十分に冷却されなくなるのを防ぐことができる。
【００７７】
また、本実施形態の半導体装置１では、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕとバスバ１９との間に配置された熱抵抗の高い配線基板１５Ｕにより、下アームのＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌの放熱経路として利用するバスバ１９と、上アームのＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕとの熱的接続を遮断することができる。
【００７８】
同様に、本実施形態の半導体装置１では、下アームのＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３ＬとＮ極の電極板１７Ｎとの間に配置された熱抵抗の高い配線基板１５Ｌにより、Ｎ極の電極板１７Ｎと下アームのＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌとの熱的接続を遮断することができる。
【００７９】
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を、図２の断面図を参照して説明する。本実施形態の半導体装置１Ａは、図１に示す第１実施形態の半導体装置１の上アームと下アームの各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌから、配線基板１５Ｕ，１５Ｌを省略した構成としている。
【００８０】
このため、本実施形態の半導体装置１Ａでは、図２に示すように、上アームと下アームの各ＩＧＢＴ１１Ｕ，１１Ｌのゲート端子１１Ｕｇ，１１Ｌｇと信号端子２１Ｕ，２１Ｌとを、ボンディングワイヤ２５Ｕ，２５Ｌによって接続している。
【００８１】
また、本実施形態の半導体装置１Ａでは、相互に間隔をおいて配置した複数の銅ピン２７，２７，…の一端を、上アームの各ＩＧＢＴ１１Ｕのエミッタ端子１１Ｕｅや還流ダイオード１３Ｕのアノード端子１３Ｕａに、銅ピン２７，２７，…の他端をバスバ１９に、それぞれ半田等により接合して、各銅ピン２７の相互間にモールド樹脂５を回り込ませている。
【００８２】
この銅ピン２７の総断面積は、各ＩＧＢＴ１１Ｕのコレクタ端子１１Ｕｃや還流ダイオード１３Ｕのカソード端子１３Ｕｋに接合したＰ極の電極板１７Ｐの断面積よりも小さい。このため、銅ピン２７，２７，…の熱抵抗はＰ極の電極板１７Ｐの熱抵抗よりも高い。
【００８３】
したがって、本実施形態の半導体装置１Ａでは省略した図１の配線基板１５Ｕの代わりに、上アームの各ＩＧＢＴ１１Ｕや還流ダイオード１３Ｕと、下アームのＩＧＢＴ１１Ｌや還流ダイオード１３Ｌの放熱経路として利用するバスバ１９との熱的接続を、各銅ピン２７において遮断することができる。
【００８４】
さらに、本実施形態の半導体装置１Ａでは、図１に示す第１実施形態の半導体装置１の絶縁材７に代えて、図２に示すように、銅プレート７Ａを用いている。このため、半導体装置１Ａでは、銅プレート７Ａに対する絶縁性と熱的接続を確保するために、Ｐ極の電極板１７Ｐとグラファイトブロック２３とを、接着機能を有し熱伝導率が高い絶縁シート７７，７９（請求項中の絶縁材に相当）によって銅プレート７Ａに取り付けている。
【００８５】
そして、本実施形態の半導体装置１Ａは、上述した構成と、冷却装置３の冷却器本体３１をモールド樹脂５で被覆せず外側に露出させた点とを除いて、図１に示す第１実施形態の半導体装置１と同様に構成されている。このため、省略した図１の各配線基板１５Ｕ，１５Ｌによって発揮される効果を除いて、図１に示す第１実施形態の半導体装置１と同様の効果を奏することができる。
【００８６】
なお、上述した各実施形態のバスバ１９に用いたグラファイトシート１９ａは、銅よりも熱伝導率が高い導電性の材料であれば、例えば、銀等の金属材料や炭素系材料等の非金属性材料によるシート材に置き換えてもよい。その場合、バスバ１９の一部がモールド樹脂５の外側に引き出されて露出することを考慮して、グラファイトシート１９ａを耐腐食性に優れた非金属性材料で構成してもよい。
【００８７】
また、上述した各実施形態のグラファイトブロック２３に用いたグラファイトシート２３ａも同様に、銅よりも熱伝導率が高い材料であれば、例えば、銀等の金属材料や炭素系材料等の非金属性材料によるシート材に置き換えてもよい。その場合、グラファイトブロック２３は導電性を必要としないので、銅よりも熱伝導率が高い材料であれば、導電性がない材料でグラファイトブロック２３のグラファイトシート２３ａを構成してもよい。
【００８８】
さらに、上述した各実施形態では、各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌの半導体パワースイッチング素子としてＩＧＢＴ１１Ｕ，１１を用いた場合について説明したが、本発明は、例えば半導体パワースイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴを用いた半導体装置にも適用可能である。その場合にも、発熱が最も大きい端子を、熱伝導率が高く放熱経路を構成するＰ極の電極板１７Ｐやバスバ１９に接合するのが好ましい。
【００８９】
また、上述した各実施形態では、各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌが２つの半導体デバイス、即ち、半導体パワースイッチング素子と半導体整流素子とをそれぞれ有しているものとしたが、本発明は、各半導体ユニット１Ｕ，１Ｌが１つ又は３つ以上の半導体デバイスをそれぞれ有している半導体装置にも適用可能である。
【００９０】
さらに、上述した各実施形態では、直流電源からの直流電流を交流に変換して三相交流電動機に供給するインバータを構成する半導体装置１，１Ａを例に取って説明したが、本発明は、一対の半導体デバイスを有していれば、インバータ以外の半導体装置にも広く適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、一対の半導体デバイスを有する半導体装置において利用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１，１Ａ  半導体装置
１Ｌ，１Ｕ  半導体ユニット
３  冷却装置（冷却器）
５  モールド樹脂
７  絶縁材
７Ａ  銅プレート
１１Ｌ  ＩＧＢＴ（第２の半導体デバイス）
１１Ｌｃ  コレクタ端子（第２の半導体デバイスの１つの端子）
１１Ｌｅ  エミッタ端子（第２の半導体デバイスの他の端子）
１１Ｌｇ，１１Ｕｇ  ゲート端子
１１Ｕ  ＩＧＢＴ（第１の半導体デバイス）
１１Ｕｃ  コレクタ端子（第１の半導体デバイスの１つの端子）
１１Ｕｅ  エミッタ端子（第１の半導体デバイスの他の端子）
１３Ｌ  還流ダイオード（第２の半導体デバイス）
１３Ｌａ  アノード端子（第２の半導体デバイスの他の端子）
１３Ｌｋ  カソード端子（第２の半導体デバイスの１つの端子）
１３Ｕ  還流ダイオード（第１の半導体デバイス）
１３Ｕａ  アノード端子（第１の半導体デバイスの他の端子）
１３Ｕｋ  カソード端子（第１の半導体デバイスの１つの端子）
１５Ｌ  配線基板（第２の電極板と第２の半導体デバイスとの間に介設されている断熱導電部材、第２の電極板と第２の半導体デバイスとを電気的に接続する配線基板）
１５Ｕ  配線基板（第１の半導体デバイスと出力板との間に介設されている断熱導電部材、第１の半導体デバイスと出力板とを電気的に接続する配線基板）
１５Ｌａ，１５Ｕａ  母材
１５Ｌｂ，１５Ｌｃ，１５Ｌｄ，１５Ｌｅ，１５Ｕｂ，１５Ｕｃ，１５Ｕｄ，１５Ｕｅ  導電パターン
１５Ｌｆ，１５Ｌｇ，１５Ｕｆ，１５Ｕｇ  スルーホール
１７Ｎ  Ｎ極の電極板（第２の電極板）
１７Ｐ  Ｐ極の電極板（第１の電極板）
１９  バスバ（出力板）
１９ａ，２３ａ  グラファイトシート
１９ｂ  銅シート
２１Ｌ  信号端子（第２の半導体デバイスの制御信号入力用の信号線）
２１Ｕ  信号端子（第１の半導体デバイスの制御信号入力用の信号線）
２３  グラファイトブロック（伝熱部材）
２５Ｌ，２５Ｕ  ボンディングワイヤ
２７  銅ピン
３１  冷却器本体
３１ａ  放熱フィンの突設面とは反対側の面
３３  放熱フィン
７１，７３，７５  金属パターン
７７，７９  絶縁シート（絶縁材）
【図１】
2018022818.tif 000003
【図２】
2018022818.tif 000004