(57)【要約】【課題】放熱板の使用面積の効率化を図ることで、効率の良い冷却性能が得られるようにする。【解決手段】上アームの半導体チップ８ａの銅ブロック９ａに接合される放熱板１０ａよりも下アームの半導体チップ８ｂに接合される放熱板１０ｃの方がサイズが小さくなるようにする。つまり、半導体チップ８ａに直接接合されて比較的広い範囲に熱拡散が生じる放熱板１０ａについては広い幅にし、銅ブロック９ｂに接合されて比較的狭い範囲にしか熱拡散が生じない放熱板１０ｃについては狭い幅とする。これにより、放熱板１０ｃの放熱に寄与しない部分の幅を狭め、放熱板１０ａが放熱に十分な幅となるようにできる。このため、放熱板１０ａ、１０ｃの使用面積の効率化が図れ、放熱板１０ａ、１０ｃのトータルの使用面積を従来と同じもしくは従来より少なくしつつ、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。【選択図】図４
2011211017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面および裏面を有し、半導体パワー素子（６）が形成された上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）および下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）と、
前記第１半導体チップ（８ａ）の表面側に形成され、該第１半導体チップ（８ａ）よりも小さなサイズで、かつ、該第１半導体チップ（８ａ）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される第１金属ブロック（９ａ）と、
前記第１半導体チップ（８ａ）の裏面に接合された第１放熱板（１０ａ）と、
前記第１金属ブロック（９ａ）における前記第１半導体チップ（８ａ）に接合された面と反対側の面に接合されると共に、前記第２半導体チップ（８ｂ）の裏面に接合された第２放熱板（１０ｂ）と、
前記第２半導体チップ（８ｂ）の表面側に形成され、該第２半導体チップ（８ｂ）よりも小さなサイズで、かつ、該第２半導体チップ（８ｂ）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される第２金属ブロック（９ｂ）と、
前記第２金属ブロック（９ｂ）における前記第２半導体チップ（８ｂ）に接合された面と反対側の面に接合された第３放熱板（１０ｃ）と、
前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）、前記第１、第２金属ブロック（９ａ、９ｂ）および前記第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）を封止する樹脂封止部（１２）とを有し、
前記第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）のうち前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）と反対側の面を前記樹脂封止部（１２）から露出させており、
前記上アームを構成する前記第１半導体チップ（８ａ）と前記下アームを構成する前記第２半導体チップ（８ｂ）が並べられた方向において、前記第１放熱板（１０ａ）よりも前記第３放熱板（１０ｃ）の方がサイズが小さくされていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記上アームを構成する前記第１半導体チップ（８ａ）と前記下アームを構成する前記第２半導体チップ（８ｂ）が並べられた方向において、前記第１放熱板（１０ａ）の幅は前記第１半導体チップ（８ａ）の同方向の幅に対して該第１放熱板（１０ａ）の厚みの２倍を足した長さ以上とされ、前記第３放熱板（１０ｃ）の幅は前記第２金属ブロック（９ｂ）の同方向の幅に対して該第３放熱板（１０ｃ）の厚みの２倍を足した長さ以上とされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の前記半導体モジュール（４）と、
冷媒が流れる冷媒通路（５ｅ）が備えられ、前記半導体モジュール（４）を挟み込むことで、前記封止樹脂部（１２）から露出させられた前記第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）に接触し、前記半導体モジュール（４）に備えられた前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）を冷却する冷却機構（５）とを備え、
前記冷媒通路（５ｅ）内を流れる冷媒流れの上流側に下アームを構成する前記第２半導体チップ（８ｂ）を配置し、それよりも下流側に上アームを構成する前記第１半導体チップ（８ａ）を配置していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
表面および裏面を有し、半導体パワー素子（６）が形成された上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）および下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）と、
前記第１半導体チップ（８ａ）の表面側に形成され、該第１半導体チップ（８ａ）よりも小さなサイズで、かつ、該第１半導体チップ（８ａ）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される第１金属ブロック（９ａ）と、
前記第１金属ブロック（９ａ）における前記第１半導体チップ（８ａ）に接合された面と反対側の面に接合された第１放熱板（１０ｄ）と、
前記第１半導体チップ（８ａ）の裏面に接合された第２放熱板（１０ｅ）と、
前記第２半導体チップ（８ｂ）の表面側に形成され、該第２半導体チップ（８ｂ）よりも小さなサイズで、かつ、該第２半導体チップ（８ｂ）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される第２金属ブロック（９ｂ）と、
前記第２金属ブロック（９ａ）における前記第２半導体チップ（８ｂ）に接合された面と反対側の面に接合された第３放熱板（１０ｆ）と、
前記第２半導体チップ（８ｂ）の裏面に接合された第４放熱板（１０ｇ）と、
前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）、前記第１、第２金属ブロック（９ａ、９ｂ）および前記第１〜第４放熱板（１０ｄ〜１０ｇ）を封止する樹脂封止部（１２）とを有し、
前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）の表面が同じ方向に向けられると共に、前記第１〜第４放熱板（１０ｄ〜１０ｇ）のうち前記第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）と反対側の面を前記樹脂封止部（１２）から露出させており、
前記第１半導体チップ（８ａ）と前記第２半導体チップ（８ｂ）が並べられた方向において、前記第１、第３放熱板（１０ｄ、１０ｆ）の方が前記第２、第４放熱板（１０ｅ、１０ｇ）よりもサイズが小さくされていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項５】
表面および裏面を有し、半導体パワー素子（６）が形成された半導体チップ（８）と、
前記半導体チップ（８）の表面側に形成され、該半導体チップ（８）よりも小さなサイズで、かつ、該半導体チップ（８）のうち前記半導体パワー素子（６）の電流が流れるアクティブ領域に接合される金属ブロック（９）と、
前記金属ブロック（９）における前記半導体チップ（８）に接合された面と反対側の面に接合された第１放熱板（１０ｈ）と、
前記半導体チップ（８）の裏面に接合された第２放熱板（１０ｉ）と、
前記半導体チップ（８）、前記金属ブロック（９）および前記第１、第２放熱板（１０ｈ、１０ｉ）を封止する樹脂封止部（１２）とを有し、
前記第１、第２放熱板（１０ｈ、１０ｉ）のうち前記半導体チップ（８）と反対側の面を前記樹脂封止部（１２）から露出させており、
前記第１放熱板（１０ｈ）の方が前記第２放熱板（１０ｉ）よりもサイズが小さくされていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱板による放熱が行われる半導体パワー素子が形成された半導体チップと放熱板とを樹脂封止して一体構造とした半導体モジュールに関するもので、例えば、上アーム（ハイサイド側素子）と下アーム（ローサイド側素子）の二つの半導体パワー素子を一つの樹脂封止部に封止した２ｉｎ１構造、もしくは、一つの半導体パワー素子を樹脂封止部に封止した１ｉｎ１構造の半導体モジュールに適用すると好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１において、半導体パワー素子がそれぞれ備えられた上アームと下アームとを直列に接続した２ｉｎ１構造の半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールは、半導体パワー素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）を備えたもので、上アームおよび下アームそれぞれについて、ＩＧＢＴが形成された半導体チップのエミッタ側に銅ブロックを介して放熱板を配置すると共にコレクタ側に放熱板を配置し、各放熱板を封止樹脂部から露出させた状態で樹脂封止した構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１９２３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の半導体モジュールでは、半導体チップのうちエミッタ側は、半導体チップよりも１回り小さくされた銅ブロックを介して放熱板に電気的に接続される。これは、半導体チップのうちエミッタ側の表面に、ゲート電極に接続するためのパッドとのボンディング領域や、ガードリングなどの耐圧構造が備えられた外周領域などが存在するためである。銅ブロックは、半導体チップのうちボンディング領域や外周領域とは異なるアクティブ領域、つまり半導体チップの中央部に備えられる大電流が流される部分（エミッタ電極が形成される領域）にのみ接続される。このため、半導体チップよりも１回り小さな寸法で銅ブロックを構成している。
【０００５】
ここで、ＩＧＢＴでの発熱は、図１０に示した断面図に示されるように、エミッタ側では半導体チップＪ１から幅狭の銅ブロックＪ２を介して放熱板Ｊ３に伝わることになり、コレクタ側では幅広の半導体チップＪ１から直接放熱板Ｊ４に伝わることになる。このとき、各放熱板Ｊ３、Ｊ４に接続されている発熱体、つまり銅ブロックＪ２と半導体チップＪ１のサイズが異なっていることから、エミッタ側とコレクタ側で熱拡散の幅が異なっている。
【０００６】
しかしながら、従来では、熱拡散の幅によらず、エミッタ側とコレクタ側の放熱板のサイズを決めていた。例えば、上記特許文献１に記載されたように上アームと下アームとで半導体チップの表裏面を裏返した構造とされる場合、一方の半導体チップはエミッタ側が表側を向けられ、他方の半導体チップはコレクタ側が裏側を向けられて配置される。この場合、上アームのエミッタと下アームのコレクタとが電気的に接続された構造とされることから、これらが接続される放熱板は一枚構造とされるが、上アームのコレクタや下アームのエミッタが接続される放熱板はそれぞれ一枚ずつ備えられる。このような構造において、上アームのコレクタが接続される放熱板と下アームのエミッタが接続される放熱板とが同サイズとされていた。このため、例えば上アームのコレクタが接続される放熱板のサイズが放熱に十分な幅でなかったり、逆に、下アームのエミッタが接続される放熱板に放熱に寄与しない部分が存在したりする場合があった。したがって、より効率の良い冷却性能が得られるようにすることが望まれる。
【０００７】
また、上アームと下アームとで半導体チップの向きを同じにした２ｉｎ１構造の場合には、上アームの半導体チップのエミッタとコレクタがそれぞれ接続される放熱板が一枚ずつ備えられ、下アームの半導体チップのエミッタとコレクタがそれぞれ接続される放熱板も一枚ずつ備えられる。これら各放熱板のサイズがすべて同じにされているため、やはりコレクタが接続される放熱板のサイズが放熱に十分な幅でなかったり、逆に、エミッタが接続される放熱板に放熱に寄与しない部分が存在したりするという場合があった。さらに、一つの半導体パワー素子のみを放熱板と共に樹脂封止した１ｉｎ１構造の半導体モジュールについても、エミッタとコレクタそれぞれが接続される放熱板のサイズが同じにされているため、同様のことが発生していた。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、半導体パワー素子が形成された半導体チップの表裏面に放熱板が備えられる半導体モジュールにおいて、放熱板の使用面積の効率化を図ることで、効率の良い冷却性能が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）の表面が反対側に向けられて配置された半導体モジュールであって、上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）と下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）が並べられた方向において、第１放熱板（１０ａ）よりも第３放熱板（１０ｃ）の方がサイズが小さくされていることを特徴としている。
【００１０】
例えば、請求項２に記載したように、上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）と下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）が並べられた方向において、第１放熱板（１０ａ）の幅を第１半導体チップ（８ａ）の同方向の幅に対して該第１放熱板（１０ａ）の厚みの２倍を足した長さ以上とし、第３放熱板（１０ｃ）の幅を第２金属ブロック（９ｂ）の同方向の幅に対して該第３放熱板（１０ｃ）の厚みの２倍を足した長さ以上とすると好ましい。このようにすれば、第１放熱板（１０ａ）の幅は第１半導体チップ（８ａ）から必要な熱拡散の幅を確保でき、第２放熱板（１０ｂ）の幅は第２金属ブロック（９ｂ）から必要な熱拡散の幅を確保できる。
【００１１】
例えば、請求項２に記載したように、上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）と下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）が並べられた方向において、第１放熱板（１０ａ）の幅を第１半導体チップ（８ａ）の同方向の幅に対して該第１放熱板（１０ａ）の厚みの２倍を足した長さ以上とし、第３放熱板（１０ｃ）の幅を第２金属ブロック（９ｂ）の同方向の幅に対して該第３放熱板（１０ｃ）の厚みの２倍を足した長さ以上とすると好ましい。このようにすれば、第１放熱板（１０ａ）の幅は第１半導体チップ（８ａ）から必要な熱拡散の幅を確保でき、第２放熱板（１０ｂ）の幅は第２金属ブロック（９ｂ）から必要な熱拡散の幅を確保できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の半導体モジュール（４）と、冷媒が流れる冷媒通路（５ｅ）が備えられ、半導体モジュール（４）を挟み込むことで、封止樹脂部（１２）から露出させられた第１〜第３放熱板（１０ａ〜１０ｃ）に接触し、半導体モジュール（４）に備えられた第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）を冷却する冷却機構（５）とを備え、冷媒通路（５ｅ）内を流れる冷媒流れの上流側に下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）を配置し、それよりも下流側に上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）を配置していることを特徴としている。
【００１３】
このように、冷却機構（５）における冷媒流れの上流側に下アームが配置され、下流側に上アームが配置された構造としている。そして、上流側に位置している第３放熱板（１０ｃ）を第１放熱板（１０ａ）よりもサイズを小さくしているため、第３放熱板（１０ｃ）の熱抵抗が大きくなると共に第１放熱板（１０ａ）の熱抵抗が小さくなり、上流側での冷媒の温度上昇を少なくできると共に下流での冷却効果を高くすることができる。したがって、上流側に上アームを配置して下流側に下アームを配置する場合と比較して、上流側に下アームを配置して下流側に上アームを配置することで、より効率の良い冷却性能を得ることが可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）の表面が同じ方向に向けられて配置された半導体モジュールであって、第１半導体チップ（８ａ）と第２半導体チップ（８ｂ）が並べられた方向において、第１、第３放熱板（１０ｄ、１０ｆ）の方が第２、第４放熱板（１０ｅ、１０ｇ）よりもサイズが小さくされていることを特徴としている。
【００１５】
このように、第１、第３放熱板（１０ｄ、１０ｆ）のうち放熱に寄与しにくい部分の幅を狭めるようにしている。これにより、従来と比較して第１、第３放熱板（１０ｄ、１０ｆ）のサイズを縮小できるため、第１、第３放熱板（１０ｄ、１０ｆ）の使用面積の効率化が図れ、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
【００１６】
また、このような構造の場合でも、請求項２と同様に、上アームを構成する第１半導体チップ（８ａ）と下アームを構成する第２半導体チップ（８ｂ）が並べられた方向において、第１、第３放熱板（１０ｄ、１０ｆ）の幅を第１、第２金属ブロック（９ａ、９ｂ）の同方向の幅に対して該第１、第３放熱板（１０ｄ、１０ｆ）の厚みの２倍を足した長さ以上とし、第２、第４放熱板（１０ｅ、１０ｇ）の幅を第１、第２半導体チップ（８ａ、８ｂ）の同方向の幅に対して該第２、第４放熱板（１０ｅ、１０ｇ）の厚みの２倍を足した長さ以上とすると好ましい。このようにすれば、請求項２と同様の効果を得ることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、縦型の半導体パワー素子（６）が形成された半導体チップ（８）が１つだけ備えられた半導体モジュールであって、第１放熱板（１０ｈ）の方が第２放熱板（１０ｉ）よりもサイズが小さくされていることを特徴としている。
【００１８】
このように、第１放熱板（１０ｈ）のうち放熱に寄与しにくい部分の幅を狭めるようにしている。これにより、従来と比較して第１放熱板（１０ｈ）のサイズを縮小できるため、第１放熱板（１０ｈ）の使用面積の効率化が図れ、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
【００１９】
なお、上記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ものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるインバータ１の回路図である。
【図２】第１実施形態にかかるインバータ１の斜視図である。
【図３】図２に示すインバータ１の断面図である。
【図４】半導体モジュール４の断面図である。
【図５】図４に示す半導体モジュール４の正面図である。
【図６】図４に示す半導体モジュール４の分解図である。
【図７】半導体チップ８の正面図である。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる半導体モジュール４の断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態にかかる半導体モジュール４の断面図である。
【図１０】従来の半導体モジュールにおける放熱構造を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、図中、同一符号を付してある。
【００２２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の一実施形態にかかる半導体モジュールが備えられた半導体装置として、冷却機構を有するインバータを例に挙げて説明する。
【００２３】
図１は、インバータ１の回路図、図２は、インバータ１の斜視図、図３は、インバータ１の断面図である。なお、図３は、図２の紙面上下方向に対する垂直平面においてインバータ１を切断した場合の断面に相当している。
【００２４】
図１に示すように、インバータ１は、直流電源２に基づいて負荷である三相モータ３を交流駆動するためのもので、直列接続した上下アームが三相分並列接続された構成とされ、上アームと下アームとの中間電位を三相モータ３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に順番に入れ替えながら印加する。このインバータ１における上アームと下アームの一相分が、１つの半導体モジュール４とされ、図２および図３に示すように、３つの半導体モジュール４が冷却機構５内に配置されることでインバータ１が構成されている。
【００２５】
また、図１に示すように、各上アームと各下アームは、それぞれ、半導体パワー素子であるＩＧＢＴ６とフリーホイールダイオード（以下、ＦＷＤという）７とによって構成されている。本実施形態では、ＩＧＢＴ６とＦＷＤ７を同一の半導体チップ８（図３参照）内に形成しており、ＩＧＢＴ６のエミッタとコレクタに対してＦＷＤ７のアノードとカソードとを電気的に接続した構造としている。そして、各半導体モジュール４の上アームの正極端子Ｐと負極端子Ｎおよび出力端子Ｏが、図２に示すように半導体モジュール４から外部に突き出すように延設されている。これら正極端子Ｐ、負極端子Ｎおよび出力端子Ｏに、直流電源２の正極と負極および三相モータ３がそれぞれ接続されることにより、図１に示す回路構成とされる。
【００２６】
図２および図３に示すように、各半導体モジュール４はプレート状とされ、冷却機構５内において表裏面が挟み込まれて固定されている。冷却機構５は、熱伝導率の高いアルミなどの金属にて形成され、図３に示すように複数のプレート５ａ、フィン５ｂ、冷媒導入ポート５ｃ、冷媒排出ポート５ｄ等によって構成されている。複数のプレート５ａおよびフィン５ｂは、二枚のプレート５ａおよび一枚のフィン５ｂを一組として、二枚のプレート５ａによって一枚のフィン５ｂを挟み込んだ状態でろう付けもしくは溶接などによって接合することで、その内部に冷却水などの冷媒を流す冷媒通路５ｅを構成している。フィン５ｂは、図３の紙面垂直方向において波打った形状とされており、波打ったフィン５ｂの山および谷の部分がフィン５ｂを挟み込む二枚のプレート５ａに接触することで、紙面左右方向に伸びる冷媒通路５ｅが複数本形成されている。
【００２７】
各プレート５ａおよびフィン５ｂのうち冷媒導入ポート５ｃおよび冷媒排出ポート５ｄと交差する部分には連通孔が形成されており、各プレート５ａおよびフィン５ｂによって形成される各冷媒通路５ｅが冷媒導入ポート５ｃおよび冷媒排出ポート５ｄによって繋がれている。このため、冷媒導入ポート５ｃから導入された冷媒が図２中矢印に示したように各冷媒通路５ｅを通過したのち冷媒排出ポート５ｄを通じて排出されるようになっている。
【００２８】
このように構成された冷却機構５における二枚のプレート５ａおよび一枚のフィン５ｂで構成される各組の間には隙間が設けられており、この隙間に各半導体モジュール４が挟み込まれ、絶縁部材などを介して固定されている。これにより、半導体モジュール４が３つ、つまり三相分備えられたインバータ１が構成されている。
【００２９】
次に、このように構成されるインバータ１に備えられる半導体モジュール４の詳細構造について説明する。図４〜図６は、半導体モジュール４を示した図であり、図４は断面図、図５は正面図、図６は分解図である。なお、図４は、図５のＡ−Ａ’断面図に相当している。
【００３０】
図４〜図６に示すように、半導体モジュール４は、半導体チップ８と、銅ブロック９と、放熱板１０、およびゲート端子１１等を備え、これらが図４に示すように封止樹脂部１２によって樹脂封止されることで一体化された構造とされている。
【００３１】
半導体チップ８は、二枚備えられており、一方が上アームの半導体チップ８ａ、他方が下アームの半導体チップ８ｂとされ、双方共にＩＧＢＴ６およびＦＷＤ７が形成された同じ構造のもとされている。半導体チップ８ａ、８ｂに形成されたＩＧＢＴ６やＦＷＤ７は基板垂直方向に電流を流す縦型素子として構成されている。
【００３２】
図７は、半導体チップ８の正面図である。半導体チップ８の表面側には、ＩＧＢＴ６のエミッタやＦＷＤ７のアノードに電気的に接続されるパッド８ｃやＩＧＢＴ６のゲートに接続されるパッド８ｄが形成されている。パッド８ｃが形成された半導体チップ８の中央の領域は、ＩＧＢＴ６をオンさせたときの大電流もしくはＦＷＤ７を通じて還流電流が流されるアクティブ領域であり、その周囲がガードリングなどの耐圧構造が備えられた外周領域とされ、ゲートに接続されるパッド８ｄは外周領域側に引き出されて配置されている。一方、図示しないが、半導体チップ８の裏面側には、ＩＧＢＴ６のコレクタやＦＷＤのカソードに電気的に接続されるパッドが裏面全面に形成されている。
【００３３】
このような半導体チップ８は、例えば図７中に示したように、１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍの寸法とされ、アクティブ領域が１０．７ｍｍ×１１．４ｍｍとされている。アクティブ領域を４辺で囲んでいる外周領域のうちパッド８ｄが配置される側の辺の幅は、１．４ｍｍとされ、その他のパッド８ｄが配置されない側の辺の幅は、０．７ｍｍとされている。
【００３４】
銅ブロック９は、金属ブロックに相当するものであり、二つ備えられ、一方の銅ブロック９ａが上アームの半導体チップ８ａにおけるＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードと接続され、他方の銅ブロック９ｂが下アームの半導体チップ８ｂにおけるＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードと接続されている。銅ブロック９は、半導体チップ８のアクティブ領域と同じ面積、つまりパッド８ｃと同じサイズとされ、図示しないはんだ等を介してパッド８ｃに接続されている。このため、銅ブロック９は、半導体チップ８よりも一回り小さなサイズとされている。具体的には、銅ブロック９のうち半導体チップ８と対向する面は、１０．７ｍｍ×１１．４ｍｍとされている。また、銅ブロック９の厚みは、１．７ｍｍとされている。
【００３５】
放熱板１０は、熱伝導率の高い金属、例えば銅にて構成されており、半導体チップ８で発した熱を伝熱する役割と、半導体チップ８に形成されたＩＧＢＴ６やＦＷＤ７の電流経路としての役割を果たす。本実施形態の場合、放熱板１０として、放熱板１０ａ〜１０ｃの三枚が備えられている。放熱板１０ａは、上アームの半導体チップ８ａにおけるＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードにはんだ等を介して接続される。この放熱板１０ａには、正極端子Ｐが備えられている。放熱板１０ｂは、上アームの銅ブロック９ａおよび下アームの半導体チップ８ｂにおけるＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードにはんだ等を介して接続される。この放熱板１０ｂには、出力端子Ｏが備えられている。放熱板１０ｃは、下アームの銅ブロック９ｂにはんだ等を介して接続される。この放熱板１０ｃには、負極端子Ｎが備えられている。
【００３６】
本実施形態では、これら放熱板１０ａ〜１０ｃのサイズを従来と変えることで、より効率の良い冷却性能が得られるようにする。この放熱板１０ａ〜１０ｃの詳細構造については後述する。
【００３７】
図５および図６に示すように、ゲート端子１１は、上アーム用のゲート端子１１ａと下アーム用のゲート端子１１ｂがあり、それぞれ複数本の端子で構成されている。そして、各ゲート端子１１ａ、１１ｂは、図示しないボンディングワイヤによりパッド８ｄに接続されることで、それぞれ上アームや下アームの半導体チップ８ａ、８ｂにおけるＩＧＢＴ６のゲートに電気的に接続されている。
【００３８】
このように構成された各部は、図６に示されるように、ゲート端子１１ａ、１１ｂが配置された放熱板１０ｂ上に、順に配置される。すなわち、上アーム側では、放熱板１０ｂ上に銅ブロック９ａ、半導体チップ８ａ、放熱板１０ａが順に積まれて接合され、下アーム側では、放熱板１０ｂ上に半導体チップ８ｂ、銅ブロック９ｂ、放熱板１０ｃが順に積まれて接合される。このように各部が積まれた状態で、図示しない成形型などに設置され、封止樹脂部１２によって樹脂封止されている。そして、半導体モジュール４の表面では、封止樹脂部１２の一面と放熱板１０ａ、１０ｃとが面一とされることで放熱板１０ａ、１０ｃが露出させられ、裏面でも封止樹脂部１２の一面と放熱板１０ｂとが面一とされることで放熱板１０ｂが露出させられる。また、封止樹脂部１２における一側面から正極端子Ｐや負極端子Ｎおよび出力端子Ｏが引き出され、その側面と反対側の側面からゲート端子１１ａ、１１ｂが引き出されている。このような構成により、半導体モジュール４が構成されている。そして、このように構成された半導体モジュール４は、図３および図４に示したように、冷却機構５における冷媒流れの上流側に下アームが配置され、下流側に上アームが配置されるようにして、冷却機構５に組み付けられている。
【００３９】
このように構成された半導体モジュール４では、正極端子Ｐが直流電源２の正極に接続され、出力端子Ｏが三相モータ３に接続され、負極端子Ｎが直流電源２の負極に接続される。そして、ＩＧＢＴ６のゲートへのゲート電圧の印加に基づいて、一つの相の上アームのＩＧＢＴ６をオンさせると共に他の相の下アームのＩＧＢＴ６をオフさせるということを順番に繰り返し行うことで三相モータ３への電流供給経路を形成し、三相モータ３に対して交流電流を供給する。具体的には上アームのＩＧＢＴ６をオンさせることにより、正極端子Ｐから放熱板１０ａ→半導体チップ８ａ→銅ブロック９ａ→放熱板１０ｂおよび出力端子Ｏを通じて三相モータ３に電流供給を行う経路を構成する。また、下アームのＩＧＢＴ６をオンさせることにより、出力端子Ｏから放熱板１０ｂ→半導体チップ８ｂ→銅ブロック９ｂ→放熱板１０ｂおよび負極端子Ｎを通じて、三相モータ３からの電流を流す経路を構成する。このような動作を行うに際し、半導体モジュール４内の各半導体チップ８ａ、８ｂがＩＧＢＴ６やＦＷＤ７に大電流が流れるのに伴って発熱する。しかし、この熱が放熱板１０ａ〜１０ｃを通じて放熱されると共に、冷却機構５によって冷却されるため、半導体チップ８ａ、８ｂの過昇温を抑制できるようになっている。
【００４０】
続いて、上述した放熱板１０ａ〜１０ｃのサイズなどの詳細構造について説明する。本実施形態では、放熱板１０ａは、四角板にて構成されており、その四角板の一辺から張り出すように正極端子Ｐが形成されている。この放熱板１０ａの中心に半導体チップ８ａの中心が位置合わせされて接合される。放熱板１０ａは、半導体チップ８ａよりも広い面積とされ、各辺が放熱時の半導体チップ８ａからの熱拡散の幅を確保できる長さとされている。例えば、熱伝導が生じるときの熱拡散は、図４中の破線で示したように４５度と考えることができる。このため、放熱板１０ａの厚みと等しい幅分広がって熱拡散が生じると考えられる。これを考慮して、放熱板１０ａのうち図４の紙面左右方向、つまり上アームと下アームの配列方向と平行方向の幅は、半導体チップ８ａの両端辺からさらに放熱板１０ａの厚み分以上大きくされたサイズとされている。例えば、放熱板１０ａは２〜３ｍｍの厚みとされることから、図４の紙面左右方向における放熱板１０ａの幅は、半導体チップ８ａの同方向の幅（１２．８ｍｍ）に放熱板１０ａの厚みの２倍以上を加算した長さ（１２．８ｍｍ＋２×２〜３ｍｍ）以上としてある。
【００４１】
放熱板１０ｃは、四角板にて構成されており、その四角板の一辺から張り出すように負極端子Ｎが形成されている。放熱板１０ｃは、銅ブロック９ｂよりも広い面積とされ、各辺が半導体チップ８ｂの放熱時の銅ブロック９ｂからの熱拡散の幅を確保できる長さとされている。例えば、熱伝導が生じるときの熱拡散は４５度と考えることができる。このため、放熱板１０ｃの厚みを考慮して、放熱板１０ｃのうち図４の紙面左右方向の幅は、銅ブロック９ｂの両端辺からさらに放熱板１０ｃの厚み分以上大きくされたサイズとされている。例えば、放熱板１０ｃは２〜３ｍｍの厚みとされることから、図４の紙面左右方向における放熱板１０ｃの幅は、銅ブロック９ｂの同方向の幅（１０．４ｍｍ）に放熱板１０ａの厚みの２倍以上を加算した長さ（１０．４ｍｍ＋２×２〜３ｍｍ）以上としてある。
【００４２】
放熱板１０ｂは、長方形状とされ、その一辺から張り出すように出力端子Ｏが形成されている。この放熱板１０ｂは、放熱板１０ａと放熱板１０ｃを合わせたサイズ以上とされている。図４の紙面左右方向の幅は、上アーム側における半導体チップ８ａの放熱時の銅ブロック９ａからの熱拡散の幅と、下アーム側における放熱時の半導体チップ８ｂからの熱拡散の幅を合わせた長さ以上となっている。
【００４３】
以上のように、図４の紙面左右方向において、放熱板１０ａよりも放熱板１０ｃの方がサイズが小さくなるようにしている。つまり、半導体チップ８ａに直接接合されて比較的広い範囲に熱拡散が生じる放熱板１０ａについては広い幅にし、銅ブロック９ｂに接合されて比較的狭い範囲にしか熱拡散が生じない放熱板１０ｃについては狭い幅としている。このため、放熱板１０ｃの放熱のうち寄与しない部分の幅を狭め、放熱板１０ａの幅を放熱に十分な幅とすることができる。このため、放熱板１０ａ、１０ｃの使用面積の効率化が図れ、放熱板１０ａ、１０ｃのトータルの使用面積を従来と同じもしくは従来より少なくしつつ、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
【００４４】
また、放熱板１０ａ、１０ｃの使用面積の効率化が図れるため、図４の紙面左右方向における半導体モジュール４の寸法を従来と同じにしていても、より効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
【００４５】
そして、図４の紙面左右方向における放熱板１０ａの幅を半導体チップ８ａの同方向の幅に放熱板１０ａの厚みの２倍以上を加算した長さ以上としてある。また、図４の紙面左右方向における放熱板１０ｃの幅を銅ブロック９ｂの同方向の幅に放熱板１０ｃの厚みの２倍以上を加算した長さ以上としてある。このため、放熱板１０ａおよび放熱板１０ｃが共に、熱拡散の幅以上となるようにでき、十分に冷却性能を得ることが可能となる。
【００４６】
また、冷却機構５における冷媒流れの上流側に下アームが配置され、下流側に上アームが配置された構造としている。一般的に、冷媒流れに沿って２つの発熱体が並べられる場合、各発熱体の冷却効率が同じである場合には、上流側に配置された発熱体の熱によって冷媒の温度が上昇するため、下流側の冷却性能が上流側に比べて低くなるという下流効果が生じる。
【００４７】
しかしながら、本実施形態の場合、上流側に位置している放熱板１０ｃを放熱板１０ａよりもサイズを小さくしているため、放熱板１０ｃの熱抵抗が大きくなると共に放熱板１０ａの熱抵抗が小さくなり、上流側での冷媒の温度上昇を少なくできると共に下流での冷却効果を高くすることができる。したがって、上流側に上アームを配置して下流側に下アームを配置する場合と比較して、上流側に下アームを配置して下流側に上アームを配置することで、より効率の良い冷却性能を得ることが可能となる。
【００４８】
なお、放熱板１０ａのうち図４の紙面垂直方向、つまり上アームと下アームの配列方向に対する垂直方向の幅についても、熱拡散の幅を考慮した寸法とすることで冷却性能の向上を図ることができるが、この方向については仮に放熱板１０ａと放熱板１０ｃのサイズを同じにしても半導体モジュール４の大きさが大きくなるわけではない。このため、図４の紙面左右方向において、放熱板１０ａと放熱板１０ｃのサイズを規定することにより、半導体モジュール４の寸法を従来より大きくすることなく、より効率の良い冷却性能が得られるようにするという効果を得ることができる。
【００４９】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して半導体モジュール４の構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
【００５０】
図８は、本実施形態の半導体モジュール４の断面図である。この図に示されるように、本実施形態の半導体モジュール４も２ｉｎ１構造のものであるが、上アームと下アームとで半導体チップ８ａ、８ｂの表面が同じ方向に向けられた構造とされている。
【００５１】
本実施形態の半導体モジュール４では、上アームの半導体チップ８ａのＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードが銅ブロック９ａを介して放熱板１０ｄに接続されていると共に、半導体チップ８ａのＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードが放熱板１０ｅに接続されている。また、下アームの半導体チップ８ｂのＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードが銅ブロック９ｂを介して放熱板１０ｆに接続されていると共に、半導体チップ８ｂのＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードが放熱板１０ｇに接続されている。そして、各放熱板１０ｄ〜１０ｇのうち第１、第２半導体チップ８ａ、８ｂと反対側の面が封止樹脂部１２から露出させられ、封止樹脂部１２内において、放熱板１０ｄおよび放熱板１０ｇが接続配線１３を介して電気的に接続されている。接続配線１３と放熱板１０ｄおよび放熱板１０ｇとの接続は溶接もしくははんだ付けなどによって行われている。
【００５２】
このような構成において、上下アーム共に、銅ブロック９ａ、９ｂに接続される放熱板１０ｄ、１０ｆについては、第１実施形態で説明した放熱板１０ｃと同サイズとし、半導体チップ８ａ、８ｂに接続される放熱板１０ｅ、１０ｇについては、第１実施形態で説明した放熱板１０ａと同サイズとしている。つまり、放熱板１０ｄ、１０ｆが放熱板１０ｅ、１０ｇよりも小さいサイズとなるようにしている。
【００５３】
このような構成とすれば、従来と比較して放熱板１０ｄ、１０ｆのサイズを縮小できるため、放熱板１０ｄ、１０ｆの使用面積の効率化が図れ、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
【００５４】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して半導体モジュール４の構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
【００５５】
図９は、本実施形態の半導体モジュール４の断面図である。この図に示されるように、本実施形態の半導体モジュール４は１ｉｎ１構造のものとされている。
【００５６】
本実施形態の半導体モジュール４では、半導体チップ８のＩＧＢＴ６のエミッタおよびＦＷＤ７のアノードが銅ブロック９を介して放熱板１０ｈに接続されていると共に、ＩＧＢＴ６のコレクタおよびＦＷＤ７のカソードが放熱板１０ｉに接続されている。そして、各放熱板１０ｈ、１０ｉのうち半導体チップ８と反対側の面が封止樹脂部１２から露出させられている。
【００５７】
このような構成において、銅ブロック９に接続される放熱板１０ｈについては、第１実施形態で説明した放熱板１０ｃと同サイズとし、半導体チップ８に接続される放熱板１０ｉについては、第１実施形態で説明した放熱板１０ａと同サイズとしている。つまり、放熱板１０ｈが放熱板１０ｉよりも小さいサイズとなるようにしている。
【００５８】
このような構成とすれば、従来と比較して放熱板１０ｈのサイズを縮小できるため、放熱板１０ｈの使用面積の効率化が図れ、効率の良い冷却性能が得られるようにすることが可能となる。
【００５９】
（他の実施形態）
上記実施形態では、三相モータ３を駆動するインバータ１について説明したが、半導体装置としてはインバータ１に限るものではなく、少なくとも半導体モジュール４が備えられるものであれば、どのようなものに対しても第１〜第３実施形態に示した半導体モジュール４を適用することができる。例えば、コンバータなどに対して第１〜第３実施形態に示した半導体モジュール４を適用することができる。
【００６０】
また、上記実施形態では、半導体チップ８にＩＧＢＴ６とＦＷＤ７が一体形成されているものについて説明したが、これらがそれぞれ別チップとされている構造についても本発明を適用することができる。この場合、ＩＧＢＴが形成される半導体チップについて、銅ブロックのサイズが半導体チップのサイズよりも小さくなることから、ＩＧＢＴのコレクタが接続される放熱板と比較して銅ブロックが接続される放熱板のサイズが小さくなるようにすれば良い。
【００６１】
また、半導体パワー素子としてＩＧＢＴを例に挙げて説明したが、他の素子、例えばパワーＭＯＳＦＥＴなどが用いられる場合についても、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１    インバータ
２    直流電源
３    三相モータ
４    半導体モジュール
５    冷却機構
６    ＩＧＢＴ
７    ＦＷＤ
８    半導体チップ
９    銅ブロック
１０  放熱板
１１  ゲート端子
１２  封止樹脂部
【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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