(57)【要約】【課題】半導体素子に大電流が流れた場合に、半導体素子の近傍に生じた圧力上昇に起因して隣接する樹脂部分にき列が生じることを抑制可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置用サブモジュール２０は、半導体素子２２の第１主面２３の一部と電気的に接続されており、第１外面３５を有する第１金属導体３０と、第２主面２６の一部と電気的に接続されており、第２外面５５を有する第２金属導体５０と、厚さ方向Ｔに垂直な方向において半導体素子２２の外側に配置されており、第１金属導体３０から第２金属導体５０を電気的に絶縁し且つ第１金属導体３０と第２金属導体５０との間において厚さ方向Ｔに力を伝達可能な支柱６０と、第１外面２３と第２外面２６がそれぞれサブモジュール２０外に露出するように、半導体素子２２、第１金属導体３０、第２金属導体５０及び支柱６０を、樹脂封止する外囲部７０とを有する。【選択図】図２
2019047081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部にサブモジュールが配置された半導体装置であって、
当該サブモジュールは、
その厚さ方向に垂直な方向に広がる第１主面及び第２主面を有する半導体素子と、
第１主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、第１外面を有する第１金属導体と、
第２主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、第２外面を有する第２金属導体と、
前記厚さ方向に垂直な方向において前記半導体素子の外側に配置されており、第１金属導体から第２金属導体を電気的に絶縁し、且つ第１金属導体と第２金属導体との間において当該厚さ方向に力を伝達可能な支柱と、
第１外面と第２外面がそれぞれ前記サブモジュール外に露出するように、前記半導体素子、当該第１金属導体、当該第２金属導体及び前記支柱を、樹脂封止する外囲部と、
を備える
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記厚さ方向において第２金属導体と前記半導体素子との間に配置されており、当該半導体素子及び第２金属導体とそれぞれ第１接合材により接合されており、且つ第２主面のうち少なくとも一部と第２金属導体とを電気的に接続する内部金属導体を、
さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
第２金属導体と第１金属導体との間において前記厚さ方向に垂直な方向に延びており、前記内部金属導体と嵌め合されて前記内部金属導体を位置決め可能な金属フレームを、
さらに備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記内部金属導体は、
前記半導体素子の第２主面と接合される下面と、第２金属導体の内面と対向する対向面とを含む基部と、
当該対向面から第２金属導体に向けて突出しており、且つ第２金属導体の内面と接合される上面を含む突出部と、
を有し、
前記金属フレームには、前記突出部が通る内側開口が形成されており、当該内側開口を囲う開口縁部が当該突出部と接することにより、前記厚さ方向に垂直な方向における前記内部金属導体の移動を制限する
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２主面は、ゲート電極面を含み、
前記金属フレームは、当該ゲート電極面と電気的に接続されており且つ前記外囲部を貫通して前記サブモジュール外に露出しているゲート端子を含み、
前記サブモジュールは、当該金属フレームのうち当該ゲート端子と電気的に接続されている部分又は当該ゲート端子と、前記ゲート電極面とを電気的に接続するボンディングワイヤを、
さらに備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属フレームのうち、前記ゲート端子及びゲート電極面と電気的に接続されている部分、すなわちゲート電流が流れる部分は、内部金属導体の突出部が通る内側開口の開口縁部とは、電気的に絶縁されている
ことを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記支柱は、
電気絶縁材料で構成された絶縁中央部と、
前記厚さ方向において当該絶縁中央部の外側に配置され、金属で構成された２つの金属端部と、
を有し、
当該２つの金属端部のうち、一方が第１接合材により第１金属導体と接合されており、他方が第１接合材により第２金属導体と接合されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
複数の前記支柱は、第１金属導体と第２金属導体との間において、前記半導体素子を、少なくとも部分的に囲うように配列されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
第１金属導体及び第２金属導体は、それぞれ
前記厚さ方向の外側を形成し、第１外面及び第２外面を含む外側部分と、
当該外側部分より前記厚さ方向の内側を形成し、当該厚さ方向に垂直な方向において当該外側部分より外側に突出している突出縁部を含む内側部分と、
を有するものであり、
前記外囲部は、
当該厚さ方向において第１金属導体の前記突出縁部より外側に配置されており、且つ前記厚さ方向と垂直な方向において第１金属導体の前記外側部分より外側に配置されて当該外側部分を囲う第１縁部分と、
当該厚さ方向において第２金属導体の前記突出縁部より外側に配置されており、且つ当該厚さ方向と垂直な方向において第２金属導体の前記外側部分より外側に配置されて当該外側部分を囲う第２縁部分と、
当該厚さ方向と垂直な方向において前記支柱より外側に配置されて当該支柱を囲う支柱側部分と、
当該厚さ方向と垂直な方向において第１金属導体の前記内側部分より外側に配置されて当該内側部分を囲う第１側部分と、
当該厚さ方向と垂直な方向において第２金属導体の前記内側部分より外側に配置されて当該内側部分を囲う第２側部分と、
を有し、
第１縁部分と第２縁部分は、第１側部分、第２側部分及び支柱側部分を介して、結合されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
複数の前記サブモジュールのそれぞれの第１金属導体と第２接合材により接合されて、当該複数の第１金属導体と電気的に接続される第１金属部材と、
複数の前記サブモジュールのそれぞれの第２金属導体と第２接合材により接合されて、当該複数の第２金属導体と電気的に接続される第２金属部材と、
をさらに備え、
当該複数のサブモジュールは、
第１金属部材と第２金属部材との間において前記厚さ方向に垂直な方向に間隔をあけて配列されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第２主面は、ゲート電極面を含み、
前記サブモジュールは、
当該ゲート電極面と電気的に接続されているゲート端子と、
前記厚さ方向において第１金属部材と第２金属部材との間に配置されており、複数の前記サブモジュールにそれぞれ対応する複数の開口を有する配線基板と、
をさらに備え、
当該配線基板は、
当該厚さ方向に垂直な方向において第１金属部材及び第２金属部材より外側に配置された外部ゲート端子と、
当該外部ゲート端子と、複数の当該サブモジュールのゲート端子とを電気的に接続するゲート配線と、
当該ゲート配線と電気的に接続されており、前記ゲート端子にそれぞれ対応して当該ゲート端子を受ける複数の受け部と、
を有し、
当該サブモジュールは、当該配線基板のうち対応する開口の内側に配置されており、そのゲート端子が、当該開口の近傍にある前記受け部に結合される
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記配線基板は、さらに、
前記厚さ方向に垂直な方向において第１金属部材及び第２金属部材より外側に配置された外部エミッタ端子と、
当該外部エミッタ端子と、第２金属部材とを電気的に接続するエミッタ配線と、
を有し、
当該第２金属部材は、
前記配線基板に向けて突出しており、当該配線基板が結合されるエミッタ信号用支柱を有し、
複数の前記サブモジュールの第２金属導体は、当該エミッタ信号用支柱を介して前記エミッタ配線と電気的に接続される
ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記サブモジュール内にある第１接合材は、当該サブモジュール外にある第２接合材に比べて、融点が高い
ことを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
第１金属部材及び第２金属部材のうち少なくとも一方において、前記厚さ方向の外側にある外面には、前記サブモジュールから伝達された熱を放散可能なフィンが、形成されており、
当該フィンが形成された外面を覆い、且つ当該外面との間に冷却液が流れる通路を形成する液冷ジャケットを、さらに備える
ことを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
半導体装置内に配置される半導体装置用サブモジュールであって、
その厚さ方向に垂直な方向に広がる第１主面と第２主面とを有する半導体素子と、
第１主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、第１外面を有する第１金属導体と、
第２主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、第２外面を有する第２金属導体と、
前記厚さ方向に垂直な方向において前記半導体素子の外側に配置されており、第１金属導体から第２金属導体を電気的に絶縁し、且つ第１金属導体と第２金属導体との間において当該厚さ方向に力を伝達可能な支柱と、
第１外面と第２外面がそれぞれ前記サブモジュール外に露出するように、前記半導体素子、当該第１金属導体、当該第２金属導体及び前記支柱を、樹脂封止する外囲部と、
を備えることを特徴とする半導体装置用サブモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体素子を用いて電力制御を行う半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力機器には、半導体素子を用いて電力変換や電力開閉等の電力制御を行う半導体装置がある。このような装置に用いられる、いわゆる電力用半導体素子は、通常、高電圧・大電流を扱えるよう構成されている。このような半導体素子を用いて電力制御を行う電力機器には、例えば、サイリスタ変換装置や、トランジスタインバータ等、半導体素子を用いて電力変換を行う電力変換器（power converter）がある。
【０００３】
例えば、高電圧（数ｋＶ）に耐え得る電力変換器を実現するためには、半導体素子を流れる電流容量を大きくすることが求められている。このため、半導体装置には、内部に複数の半導体素子が配列され、電気的に並列に接続されたものがある。例えば、下記の特許文献には、複数の半導体素子が２つの金属で構成された部材の間に挟まれており、これらがセラミックスで構成された外囲器内に配置された半導体装置が提案されている。また、半導体装置の構成部品には、半導体素子とこれに接合された導体が、合成樹脂により樹脂封止（モールド）されたものが提案されている。
【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】
このような半導体装置は、一般的に、２つの金属で構成された板状の部材（いわゆる電極板）の間に、板状の半導体素子が配置されている。例えば、特許文献１に記載の技術においては、２つの金属製の板状の部位（電極板）の間に、複数の半導体素子（半導体チップ）が間隔をあけて配列されている。この例において、２つの電極板のうち、一方には、エミッタ電流が流れ、他方にはコレクタ電流が流れる。各半導体チッブの主面は、熱緩衝板と接しており、各半導体チップは、当該熱緩衝板を介して、２つの電極板の間に作用する圧縮力を受けている。すなわち、各半導体チップには、その厚さ方向に、圧縮方向の応力（stress）が生じている。このような半導体装置においては、各半導体チップに均等な応力が生じるようにする必要があり、各構成部品の寸法や、当該構成部品の組み立てには、高い精度が求められる。
【０００６】
また、特許文献２に記載の半導体装置のように、半導体素子の２つの主面が、ハンダ等により電極等と接合されており、半導体素子に応力はほとんど生じない。当該２つの主面の間にある側面、すなわち半導体素子の外周は、電気絶縁材料としての合成樹脂により囲まれている。この半導体装置においては、その製造工程において半導体素子の主面に接合不良が生じる場合がある。半導体装置の故障等により半導体素子に大電流が流れると、特に、接合不良がある部位においては、ジュール発熱により温度が上昇し、半導体素子やこれに隣接する金属製の導体が膨張、溶融、気化（昇華）等することにより、圧力が急激に上昇する場合がある。
【０００７】
半導体素子とこれに接合された導体が合成樹脂により樹脂封止されている場合、上述した圧力上昇が半導体素子の近傍に生じると、当該半導体素子に隣接する合成樹脂製の部分に、き裂が生じる場合がある。また、当該き裂が進展すると、上述した温度上昇により半導体素子の近傍において生成されたガスが当該き裂を通じて樹脂部分の外に噴出する虞があり、場合によっては、当該樹脂部分が裂ける虞がある。
【０００８】
本発明の実施形態は、上記に鑑みてなされたものであって、半導体素子に大電流が流れた場合に、半導体素子の近傍に生じた圧力上昇に起因して隣接する樹脂部分にき列が生じることを抑制可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態の半導体装置は、その内部にサブモジュールが配置された半導体装置であって、当該サブモジュールは、その厚さ方向に垂直な方向に広がる第１主面及び第２主面を有する半導体素子と、前記半導体素子の第１主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、第１外面を有する第１金属導体と、前記半導体素子の第２主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、第２外面を有する第２金属導体と、前記厚さ方向に垂直な方向において前記半導体素子の外側に配置されており、第１金属導体から第２金属導体を電気的に絶縁し、且つ第１金属導体と第２金属導体との間において当該厚さ方向に力を伝達可能な支柱と、第１外面と第２外面がそれぞれ前記サブモジュール外に露出するように、前記半導体素子、当該第１金属導体、当該第２金属導体及び前記支柱を、樹脂封止する外囲部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の実施形態の半導体装置用サブモジュールは、電力用半導体装置内に配置される半導体装置用サブモジュールであって、その厚さ方向に垂直な方向に広がる第１主面と第２主面とを有する半導体素子と、第１主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、前記サブモジュール外に露出する第１外面を有する第１金属導体と、第２主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、前記サブモジュール外に露出する第２外面を有する第２金属導体と、前記厚さ方向に垂直な方向において前記半導体素子の外側に配置されており、第１金属導体から第２金属導体を電気的に絶縁し、且つ第１金属導体と第２金属導体との間において当該厚さ方向に力を伝達可能な支柱と、第１外面と第２外面がそれぞれ前記サブモジュール外に露出するように、前記半導体素子、当該第１金属導体、当該第２金属導体及び前記支柱を、樹脂封止する外囲部と、を備えることを特徴とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、サブモジュール内の圧力が上昇し、第１金属導体と第２金属導体との間に厚さ方向に離間する引張力が生じると、支柱が当該引張力に抵抗する拘束力を第１金属導体と第２金属導体との間に生じさせる。これにより、外囲部のうち半導体素子の近傍であって厚さ方向において第１金属導体と第２金属導体との間にある樹脂部分に、上述した圧力上昇に起因してき裂が生じることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の半導体装置用サブモジュールの斜視図である。
【図２】本実施形態の半導体装置用サブモジュールの断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。
【図３】本実施形態の半導体装置用サブモジュールの部分的な斜視図であり、第１金属導体の内面に、半導体素子と支柱が配置された態様を示している。
【図４】本実施形態の半導体装置用サブモジュールの斜視図であり、第１金属導体と第２金属導体との間に半導体素子と支柱が挟まれた態様を示している。
【図５】本実施形態の半導体装置の内部構造を示す断面図であり、第１金属部材と第２金属部材との間に、複数のサブモジュールと、配線基板が配置された態様を示している。
【図６】本実施形態の半導体装置の内部構造を示す斜視図であり、第２金属部材上に、複数のサブモジュールと、配線基板が配置された態様を示している。
【図７】本実施形態の半導体装置の内部構造を示す斜視図であり、図６の拡大図である。
【図８−１】本実施形態の半導体装置の製造工程を説明する斜視図であり、（ａ）は、複数のサブモジュールにそれぞれ対応する複数の接合面が第２金属部材上に形成された態様を示し、（ｂ）は、第２金属部材上に配線基板が配置された態様を示し、（ｃ）は、第２金属基板に形成された複数の接合面上にそれぞれサブモジュールが配置された態様を示している。
【図８−２】本実施形態の半導体装置の製造工程を説明する斜視図であり、（ｄ）は、複数のサブモジュールが、第１金属部材と第２金属部材との間に挟まれた態様を示し、（ｅ）は、第１金属部材と第２金属部材との間において複数のサブモジュールを囲うように側面ケースが配置された態様を示し、（ｆ）は、厚さ方向Ｔにおいて第１金属部材の外側と第２金属部材の外側に、それぞれ液冷ジャケットが配置された態様を示している。
【図９】本実施形態の半導体装置の内部構造を示す断面図であり、第１金属部材と第２金属部材との間に、複数のサブモジュールが配置された態様を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００１４】
〔実施形態〕
（半導体装置用サブモジュールの構成）
本実施形態の半導体装置用サブモジュールについて、図１〜図４を参照して説明する。図１は、本実施形態の半導体装置用サブモジュールの斜視図である。図２は、本実施形態の半導体装置用サブモジュールの断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。なお、図２は、他の図面に比べて厚さ方向に垂直な方向の寸法を圧縮して表示している。図３は、本実施形態の半導体装置用サブモジュールの部分的な斜視図であり、第１金属導体の内面に、半導体素子と支柱が配置された態様を示している。図４は、本実施形態の半導体装置用サブモジュールの斜視図であり、第１金属導体と第２金属導体との間に半導体素子と支柱が挟まれた態様を示している。
【００１５】
図１及び図２に示すように、半導体装置用サブモジュール（以下、単に「サブモジュール」と記す）２０は、図８−１及び図８−２に示す半導体装置１０の内部に少なくとも一つ配置されるものであり、本実施形態において、半導体装置１０の内部には、複数のサブモジュール２０が配列される。半導体装置１０は、パワーエレクトロニクス分野の電力機器であり、高電圧（数ｋＶ）に耐え得るように構成されている。当該半導体装置１０において、複数のサブモジュール２０は、電気的に並列に接続される（例えば、図５参照）このような半導体装置１０には、例えば、電力の変換を行う半導体電力変換装置（semiconductor converter）がある。各サブモジュール２０は、その内部に半導体素子２２を有している。
【００１６】
本実施形態の半導体素子２２は、電力システム（図示せず）の高電圧（例えば、８０００Ｖ）が印加される電力用半導体素子、いわゆるパワー半導体である。本実施形態の半導体素子２２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）や、酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のスイッチング素子を形成しており、電力を制御するための電極を有している。
【００１７】
半導体素子２２は、略板状をなしている、いわゆる半導体チップであり、その厚さ方向（図に矢印Ｔで示す）に垂直な方向に広がる第１主面２３と第２主面２６とを有している。第２主面２６は、厚さ方向Ｔにおいて第１主面２３とは反対側にある面である。第１主面２３と第２主面２６は、互いに平行な面である。なお、半導体素子２２は、厚さ方向Ｔから見て略矩形をなしている。なお、以下の説明において、半導体素子２２の厚さ方向と垂直な方向のうち所定の方向を、「長手方向」と記して図に矢印Ｌで示す。また、厚さ方向Ｔと当該長手方向Ｌのそれぞれに垂直な方向を、「幅方向」と記して図に矢印Ｗで示す。
【００１８】
半導体素子２２において、第１主面２３及び第２主面２６は、それぞれ電力システムの電流が流れる電極としての面、いわゆる電極面を含んでいる。第１主面２３は、コレクタ電流が流れる面（以下、コレクタ電極面と記す）２４を含んでいる。コレクタ電極面２４は、金属等の導体で構成されており、例えば、アルミニウム合金等のアルミニウムを含む材料で構成することができる。なお、第１主面２３は、電気絶縁材料で構成されており、コレクタ電極面２４を囲う面（いわゆるガードリング）を含むものとしても良い。
【００１９】
一方、第２主面２６は、エミッタ電流が流れる面（以下、エミッタ電極面と記す）２７と、ゲート電流が流れる面（以下、ゲート電極面と記す）２８を含んでいる。エミッタ電極面２７及びゲート電極面２８は、それぞれ金属等の導体で構成されており、例えば、アルミニウム合金等のアルミニウムを含む材料で構成することができる。第２主面２６は、電気絶縁材料で構成されており、エミッタ電極面２７及びゲート電極面２８のそれぞれを囲う面、いわゆるガードリングを含んでいる。ゲート電極面２８は、当該ガードリングによりエミッタ電極面２７から電気的に絶縁されている。
【００２０】
半導体素子２２の厚さ方向Ｔのうちコレクタ電極面２４を含む第１主面２３を有する側が、いわゆる「コレクタ側」であり、当該向きを図に矢印Ｔ１で示す。また、当該コレクタ側Ｔ１とは反対側、すなわちエミッタ電極面２７を含む第２主面２６を有する側が、いわゆる「エミッタ側」であり、図に矢印Ｔ２で示す。
【００２１】
当該厚さ方向Ｔのうち、半導体素子２２に向かう向きを「内側」と記し、半導体素子２２から離間する向きを「外側」と記す。加えて、厚さ方向と垂直な方向、例えば、長手方向Ｌや幅方向において、半導体素子２２に向かう向きを「内側」と記し、半導体素子２２から離間する向きを「外側」と記す。
【００２２】
サブモジュール２０は、半導体素子２２の第１主面２３のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、且つ金属で構成された導体（以下、第１金属導体と記す）３０を有している。本実施形態において、第１金属導体３０は、第１主面２３のうちコレクタ電極面２４と電気的に接続されている。なお、第１主面２３のうち全てがコレクタ電極面２４であるものとしても良い。
【００２３】
サブモジュール２０は、外部からの電気的な接続を提供するための２つの外面３５，５５を有している。具体的には、サブモジュール２０のうち第１金属導体３０は、第１外面３５を有し、後述する第２金属導体５０は、第２外面５５を有している。第１外面３５及び第２外面５５は、それぞれサブモジュール２０外に露出する面（いわゆる露出面）である。第１外面３５は、第１金属導体３０のうち厚さ方向Ｔの外側、具体的にはコレクタ側において、サブモジュール２０外に露出する面である。第１金属導体３０は、当該第１外面３５を含み、厚さ方向Ｔの外側を形成している部分（以下、外側部分と記す）３４を有している。
【００２４】
第１金属導体３０は、厚さ方向Ｔの内側にあって第１主面２３と接合される内面３１を有している。具体的には、第１金属導体３０は、当該内面３１を含み、厚さ方向Ｔの内側を形成している部分（以下、内側部分と記す）３２を有している。
【００２５】
第１金属導体３０のうち内側部分３２は、外側部分３４に比べて、厚さ方向と垂直な方向、すなわち長手方向Ｌ及び幅方向Ｗ（図３参照）のそれぞれにおいて外側に突出している。内側部分３２のうち外側部分より外側に突出している縁部を、特に「突出縁部」と記して符号３２ａを付す。
【００２６】
第１金属導体３０は、電気伝導性と熱伝導性の双方が高い材料で構成されることが好ましく、当該材料には、例えば、銅を用いることができる。第１金属導体３０の内面３１と、半導体素子２２の第１主面２３との間には、接合材８ａが配置される。第１金属導体３０と半導体素子２２は、当該接合材８ａにより互いに接合される。
【００２７】
当該接合材８ａは、はんだ、導電性接着剤又は銀ペーストであるものとすることができる。接合材８ａは、融点が２２０℃程度のはんだを用いることができる。当該はんだは、例えば、錫と銅又は銀を原料とするものがある。半導体素子２２の第１主面２３にあるコレクタ電極面２４は、当該接合材８ａを介して第１金属導体３０と電気的に接続される。これにより、第１金属導体３０にコレクタ電流を流すことが可能となる。なお、第１金属導体３０の厚さ、具体的には、厚さ方向Ｔにおける内面３１と第１外面３５との距離は、３ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２８】
また、サブモジュール２０は、半導体素子２２の第２主面２６のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、金属で構成された導体４０，５０を有している。上述した第２外面５５を有する金属導体（以下、第２金属導体と記す）５０と、厚さ方向Ｔにおいて第２金属導体５０と半導体素子２２との間に配置されたスペーサとしての金属導体（以下、内部金属導体と記す）４０とを有している。本実施形態において、内部金属導体４０と第２金属導体５０は、接合材８ｅにより互いに接合される。本実施形態において、これら金属導体４０，５０は、半導体素子２２の第２主面２６のうちエミッタ電極面２７と電気的に接続されている。
【００２９】
第２金属導体５０は、厚さ方向Ｔの外側においてサブモジュール２０外に露出する外面５５と、厚さ方向Ｔにおいて当該外面５５とは反対側にある内面５１とを有する。当該内面５１には、後述する支柱６０の一端が接合される。第２金属導体５０は、当該内面５１を含み、厚さ方向Ｔの内側を形成している部分（以下、内側部分と記す）５２を有している。また、第２金属導体５０は、外面５５を含み、厚さ方向Ｔの外側を形成している部分（以下、外側部分と記す）５４を有している。
【００３０】
第２金属導体５０の内側部分５２は、外側部分５４に比べて、厚さ方向と垂直な方向、すなわち長手方向Ｌ及び幅方向Ｗ（図４参照）のそれぞれにおいて外側に突出している。内側部分５２のうち外側部分より外側に突出している縁部を、特に「突出縁部」と記して符号５２ａを付す。すなわち、第２金属導体５０の内側部分５２は、上述した第１金属導体３０の内側部分３２と略同一の形状及び寸法をなしている。第２金属導体５０の内面５１と、第１金属導体３０の内面３１は厚さ方向Ｔにおいて対向している。
【００３１】
内部金属導体４０は、厚さ方向Ｔの内側にあって半導体素子２２の第２主面２６と接合される面（以下、下面と記す）４１と、厚さ方向Ｔにおいて当該下面４１とは反対側にあり、第２金属導体５０の内面５１と接合される面（以下、上面と記す）４５とを有している。内部金属導体４０は、第２金属導体５０の内面５１と、半導体素子２２の第２主面２６とを電気的に接続する。
【００３２】
本実施形態の内部金属導体４０は、厚さ方向Ｔの内側の部分（以下、基部と記す）４２と、当該基部４２より外側に突出している部分（以下、突出部と記す）４４と、を有する。基部４２は、内部金属導体４０の下面４１と、厚さ方向Ｔにおいて当該下面４１とは反対側にあり、第２金属導体５０の内面５１と対向する面（以下、対向面と記す）４３とを含んでいる。突出部４４は、厚さ方向と垂直な方向の断面の面積が、基部４２に比べて小さい部分である。突出部４４は、基部４２の対向面４３から第２金属導体５０の内面５１に向けて突出している。当該突出部４４を含む内部金属導体４０の機能については、後述する。
【００３３】
以上に説明した内部金属導体４０の上面４５と、第２金属導体５０の内面５１との間には、接合材８ｅが配置される。内部金属導体４０と第２金属導体５０は、当該接合材８ｅにより互いに接合され、一つの金属導体４０，５０を形成する。また、内部金属導体４０の下面４１と、半導体素子２２の第２主面２６との間には、接合材８ｃが配置される。内部金属導体４０と半導体素子２２は、当該接合材８ｃにより互いに接合される。半導体素子２２の第２主面２６にあるエミッタ電極面２７は、接合材８ｃ、内部金属導体４０及び接合材８ｅを介して第２金属導体５０と電気的に接続される。これにより、金属導体４０，５０すなわち第２金属導体５０及び内部金属導体４０に、エミッタ電流を流すことが可能となる。
【００３４】
本実施形態において、金属導体４０，５０は、第１金属導体３０と同じ材料で構成されている。また、接合材８ｃ，８ｅは、上述した接合材８ａと同じ材料で構成されており、略同一の融点を有している。なお、金属導体４０，５０の厚さ、具体的には、厚さ方向Ｔにおける内部金属導体４０の下面４１と、第２金属導体５０の外面５５との距離は、３ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３５】
本実施形態のサブモジュール２０は、図１及び図２に示すように、金属で構成されたフレーム状の部材（以下、単に「金属フレーム」と記す）８０を有している。金属フレーム８０は、厚さ方向Ｔにおいて第２金属導体５０と第１金属導体３０との間に配置されており、且つ当該厚さ方向と垂直な方向、すなわち長手方向Ｌ及び幅方向Ｗに延びている。金属フレーム８０は、合成樹脂で構成された部材である外囲部７０を貫通して延びている。金属フレーム８０のうち外縁部８３は、サブモジュール２０外に露出する。
【００３６】
図１に示すように、金属フレーム８０の略中央には、内部金属導体４０の突出部４４が通る開口が形成されている。当該突出部４４は、金属フレーム８０のうち当該開口の縁部（以下、単に「開口縁部」と記す）８１と嵌め合される（図２参照）。当該開口縁部８１は、突出部４４と当接することにより、内部金属導体４０の厚さ方向Ｔと垂直な方向の移動を制限する。このような開口縁部８１を有する金属フレーム８０を、サブモジュール２０の製造工程において使用することにより、半導体素子２２上（詳細には、接合材８ａ上）において内部金属導体４０の位置決めを高い精度で行うことができる。
【００３７】
また、半導体素子２２の第２主面２６のうちゲート電極面２８には、図２に二点鎖線で示すボンディングワイヤ８５の一端が接続されている。ボンディングワイヤ８５の他端は、図１に示すように、サブモジュール２０内においてゲート端子２９に接続されている。当該ゲート端子２９の一部は、サブモジュール２０外に露出する。これにより、ゲート端子２９は、ボンディングワイヤ８５を介して半導体素子２２のゲート電極面２８と電気的に接続される。
【００３８】
なお、ゲート端子２９とボンディングワイヤ８５は、上述した金属フレーム８０の一部を介して電気的に接続されることも好適である。この場合、金属フレーム８０のうちゲート電流が流れる部分と、上述した開口縁部８１との間は、電気的に絶縁されている必要がある。
【００３９】
また、本実施形態のサブモジュール２０は、厚さ方向と垂直な方向において半導体素子２２より外側に配置され、且つ当該厚さ方向Ｔにおいて第１金属導体３０と第２金属導体５０との間に挟まれており、第１金属導体３０と金属導体４０，５０との間を電気的に絶縁する部材（以下、単に「支柱」と記す）６０を有している。複数の支柱６０は、それぞれ、第１金属導体３０と第２金属導体５０とを物理的に接続している。換言すれば、第２金属導体５０は、複数の支柱６０を介して、第１金属導体３０に結合されている。支柱６０は、第１金属導体３０と第２金属導体５０との間において、厚さ方向Ｔの力を伝達することが可能である。
【００４０】
半導体素子２２の近傍において高い圧力が発生すると、第１金属導体３０と第２金属導体５０との間には、厚さ方向Ｔにおいて互いに離間する方向の力、いわゆる引張力が作用する。このとき、支柱６０は、当該引張力に抵抗する力を第１金属導体３０と第２金属導体５０との間に生じさせる。
【００４１】
支柱６０は、第１金属導体３０から第２金属導体５０及び内部金属導体４０を電気的に絶縁するために、少なくとも一部が電気絶縁材料で構成されている。本実施形態において、支柱６０は、電気絶縁材料で構成された中央部（以下、絶縁中央部と記す）６３と、厚さ方向Ｔにおいて絶縁中央部６３の外側に配置されており、金属で構成された２つの端部（以下、金属端部と記す）６１，６５とを有している。金属端部６１，６５は、それぞれ、絶縁中央部６３と結合された金属製の層（又は膜）であり、例えば、銅を含む材料で構成することができる。このような金属端部６１，６５は、絶縁中央部６３の外側に金属を蒸着することにより実現することができる。また、支柱６０は、金属端部６１，６５を形成する金属粒子と絶縁中央部６３を形成する電気絶縁材料の粒子とを焼結により一体に成形することにより実現することもできる。
【００４２】
金属端部６１は、絶縁中央部６３と、第１金属導体３０との間に配置されている。金属端部６１と第１金属導体３０は、接合材８ｆにより互いに接合される。当該金属端部６１とは厚さ方向Ｔにおいて反対側にある金属端部６５は、絶縁中央部６３と第２金属導体５０との間に配置されている。金属端部６５と第２金属導体５０は、接合材８ｇにより互いに接合される。これら接合材８ｆ，８ｇは、上述した接合材８ａ，８ｃ,８ｅと同じ材料で構成されており、略同一の融点を有している。つまり、サブモジュール２０内にある接合材８ａ〜８ｇは、略同一の融点を有しており、以下に「第１接合材」と記す。
【００４３】
複数の支柱６０は、図３に示すように、第１金属導体３０の内面３１上において、半導体素子２２を、少なくとも部分的に囲うように配列されている。本実施形態においては、複数の支柱６０は、２つの半導体素子２２を囲うように、間隔をあけて配列されている。これら支柱６０のそれぞれは、図２に示すように、第１金属導体３０の内側部分３２の突出縁部３２ａと、第２金属導体５０の第２金属導体５０の内側部分５２の突出縁部５２ａとの間を、厚さ方向Ｔに延びている。各支柱６０は、その少なくとも外側の部分が、これら突出縁部３２ａ，５２ａの間に配置されている。なお、図３に示すように、内面３１上において隣り合う２つの半導体素子２２の間にも、支柱６０と同様に構成された支柱が配置されている。
【００４４】
図３に示すように、第１金属導体３０の内面３１上に、半導体素子２２と複数の支柱６０が配置された後、第２主面２６にあるエミッタ電極面２７（図２参照）上に、内部金属導体４０が配置される。当該内部金属導体４０は、図２に示す金属フレーム８０により位置決めされる。第２主面２６にあるゲート電極面２８には、ボンディングワイヤ８５（図１及び図２参照）及びゲート端子（図１参照）が接続される。
【００４５】
その後、図４に示すように、内部金属導体４０の突出部４４および支柱６０の金属端部６５上に、第２金属導体５０が配置される。当該第２金属導体５０の内側部分５２が第１接合材により突出部４４及び金属端部６５と接合される。内側部分５２、突出部４４及び金属端部６５は、いずれも金属で構成されているため、はんだ等の金属製の第１接合材により、良好に接合される。
【００４６】
その後、図１及び図２に示すように、サブモジュール２０のうち第１金属導体３０、半導体素子２２、支柱６０、第２金属導体を形成する内部金属導体４０及び第２金属導体５０、及び金属フレーム８０及びゲート端子２９を含む構成部品は、電気絶縁性を有する合成樹脂で封止される、いわゆる構成部品の樹脂封止（plastic molding）が行われる。このとき、第１金属導体３０の第１外面３５と、第２金属導体５０の外面５５、及びゲート端子２９の一部がサブモジュール２０外に露出するように樹脂封止される。
【００４７】
このような樹脂封止を行うことにより、図２に示すように、サブモジュール２０には、第１金属導体３０、金属導体４０，５０、半導体素子２２及び支柱６０を囲う部分（以下、外囲部と記す）７０が形成される。なお、外囲部７０は、「envelope」とも称される。本実施形態の外囲部７０は、その全体が電気絶縁性を有する合成樹脂で構成されている。外囲部７０は、厚さ方向と垂直な方向において第１金属導体３０、金属導体４０，５０、半導体素子２２及び支柱６０の外側に配置されている。
【００４８】
外囲部７０は、厚さ方向と垂直な方向において、支柱６０より外側に配置された部分７５と、第１金属導体３０の内側部分３２より外側に配置された部分７４と、外側部分３４より外側に配置された部分７３とを含んでいる。部分７３は、厚さ方向Ｔにおいて、第１金属導体３０の突出縁部３２ａより外側に配置されており、以下に「第１縁部分」と記す。
【００４９】
また、外囲部７０は、厚さ方向と垂直な方向において、第２金属導体５０の内側部分５２より外側に配置された部分７６と、外側部分５４より外側に配置された部分７７とを含んでいる。部分７７は、厚さ方向Ｔにおいて第２金属導体５０の突出縁部５２ａより外側に配置されており、以下に「第２縁部分」と記す。
【００５０】
また、厚さ方向Ｔにおいて、第１縁部分７３と第２縁部分７７との間に配置されている部分７４，７５，７６を、以下に「側部分」と記す。これら側部分７４，７５，７６のうち支柱６０の外側に配置されており、当該支柱６０を囲う部分７５を、以下に「支柱側部分」と記す。また、側部分７４，７５，７６のうち、第１金属導体３０の内側部分３２より外側に配置されて当該内側部分３２を囲う部分７４を、以下に「第１側部分」と記す。第２金属導体５０の内側部分５２より外側に配置されて当該内側部分５２を囲う部分７６を、以下に「第２側部分」と記す。
【００５１】
また、外囲部７０は、厚さ方向と垂直な方向において、半導体素子２２及び内部金属導体４０より外側であって支柱６０より内側に配置された部分（以下、内側部分と記す）７１を含んでいる。外囲部７０は、上述した部分７１〜７７が樹脂封止により一体成形されたものである。当該外囲部７０において、第１縁部分７３と第２縁部分７７は、第１側部分７４、支柱側部分７５及び第２側部分７６を介して互いに結合されている。
【００５２】
このように、本実施形態のサブモジュール２０は、半導体素子２２と、これに電気的に接続された金属導体３０，４０，５０は、これらの厚さ方向と垂直な方向の外側に配置された外囲部７０により囲まれる。半導体素子２２の厚さ方向と垂直な方向の外側、すなわち当該２つの主面２３，２６の間である半導体素子２２の外周は、外囲部７０を形成する合成樹脂で覆われている。サブモジュール２０外に第１外面３５が露出する第１金属導体３０と、サブモジュール２０外に第２外面５５が露出する第２金属導体５０は、第１接合材８ａ、半導体素子２２、第１接合材８ｃ、内部金属導体４０及び第１接合材８ｅを介して、互いに結合される。加えて、第１金属導体３０と第２金属導体５０は、第１接合材８ｆ、支柱６０、及び第１接合材８ｇを介して、互いに結合されている。
【００５３】
サブモジュール２０においては、半導体素子２２と第１金属導体３０との間や、半導体素子２２と内部金属導体４０との間、内部金属導体４０と第２金属導体５０との間において、接合不良が生じる場合がある。半導体素子２２に大電流が流れると、接合不良がある部位がジュール発熱により温度が上昇する。半導体素子２２の近傍にある金属導体３０，４０，５０及び第１接合材８ａ，８ｃ，８ｅのいずれかが溶融、気化（昇華）等することにより、半導体素子２２近傍においてガスが生じ、その圧力が急激に上昇する場合がある。このような場合、第１金属導体３０と第２金属導体５０との間には、厚さ方向Ｔにおいて互いに離間する方向の力（以下、単に「引張力」と記す）が作用する。
【００５４】
以上に説明したように、本実施形態の半導体装置用サブモジュール２０は、半導体素子２２の第１主面２３の一部と電気的に接続されており、第１外面３５を有する第１金属導体３０と、第２主面２６の一部と電気的に接続されており、第２外面５５を有する第２金属導体５０とを有している。さらに、サブモジュール２０は、厚さ方向Ｔに垂直な方向において半導体素子２２の外側に配置されており、第１金属導体３０から第２金属導体５０を電気的に絶縁し且つ第１金属導体３０と第２金属導体５０との間において厚さ方向Ｔに力を伝達可能な支柱６０と、合成樹脂で構成されており、第１外面３５と第２外面５５がそれぞれサブモジュール２０外に露出するように半導体素子２２、第１金属導体３０、第２金属導体５０及び支柱６０を、樹脂封止する外囲部７０とを有している。
【００５５】
本実施形態のサブモジュール２０は、第１金属導体３０と第２金属導体５０が支柱６０を介して結合されており、当該支柱６０は、第１金属導体３０と第２金属導体５０との間において厚さ方向Ｔの力を伝達可能なものとした。第１金属導体３０と第２金属導体５０との間に上述した引張力が生じると、支柱６０が当該引張力に抵抗する力（以下、拘束力と記す）を第１金属導体３０と第２金属導体５０との間に生じさせる。これにより、外囲部７０のうち半導体素子２２の近傍であって厚さ方向Ｔにおいて第１金属導体３０と第２金属導体５０との間にある樹脂部分（例えば、内側部分７１）に、上述した圧力上昇に起因してき裂が生じることを抑制することができる。また、本実施形態によれば、大電流が流れた場合に、上述した金属導体３０，４０，５０や第１接合材８ａ，８ｃ，８ｅが気化（昇華）した導電性のガスが、外囲部７０に生じたき裂を通じてサブモジュール２０外に噴出することや、当該ガスの圧力により、サブモジュール２０が個々の構成部品に分解することを防止することができ、サブモジュール２０を正常に作動させることが可能となる。
【００５６】
また、本実施形態のサブモジュール２０は、外囲部７０のうち第１金属導体３０の外側部分３４を囲う第１縁部分７３と、第２金属導体５０の外側部分５４を囲う第２縁部分７７が、第１側部分７４、支柱側部分７５及び第２側部分７６を介して互いに結合されているものとした。第１金属導体３０と第２金属導体５０との間に上述した引張力が生じると、当該外囲部７０が当該引張力に抵抗する拘束力を生じさせることができ、厚さ方向Ｔにおいて第１金属導体３０と第２金属導体５０との間にある樹脂部分（例えば、内側部分７１）にき裂が生じることを抑制することができる。
【００５７】
なお、本実施形態のサブモジュール２０において、各支柱６０は、厚さ方向Ｔに垂直な断面が矩形をなしているものとしたが、本発明に係る支柱は、この態様に限定されるものではない。本発明に係る支柱は、厚さ方向Ｔに垂直な方向において半導体素子２２の外側に配置されており、第１金属導体３０から第２金属導体５０を電気的に絶縁し、且つ第１金属導体３０と第２金属導体５０との間において当該厚さ方向Ｔに力、すなわち引張力に抵抗する拘束力を伝達可能なものであれば良い。例えば、厚さ方向Ｔに垂直な断面においてＣ字状をなしている２つの支柱により、半導体素子２２を部分的に囲うものとしても良い。
【００５８】
（半導体装置の全体構成）
本実施形態の半導体装置の内部構造について、図１〜図７を参照して説明する。図５は、本実施形態の半導体装置の内部構造を示す断面図であり、第１金属部材と第２金属部材との間に、複数のサブモジュールと、配線基板が配置された態様を示している。なお、図５に示すサブモジュールにおいて、第２金属導体の第２外面が、第１金属導体の第１外面に比べて小さく構成されている。図６は、本実施形態の半導体装置の内部構造を示す斜視図であり、第２金属部材上に、複数のサブモジュールと、配線基板が配置された態様を示している。図７は、本実施形態の半導体装置の内部構造を示す斜視図であり、図６の拡大図である。
【００５９】
図５に示すように、本実施形態の半導体装置１０において、その内部に複数のサブモジュール２０が、厚さ方向Ｔに垂直な方向に間隔をあけて配列されている。各サブモジュール２０の半導体素子２２は、その第２主面２６（図２参照）にゲート電極面２８を含み、これに電気的に接続されたゲート端子２９（図１及び図６参照）を有している。
【００６０】
半導体装置１０は、金属で構成されており、各サブモジュール２０の第１金属導体３０と電気的に接続されている部材（以下、第１金属部材と記す）１３と、各サブモジュール２０の第２金属導体５０と電気的に接続されている部材（以下、第２金属部材と記す）１５とを有している。第１金属部材１３及び第２金属部材１５を構成する材料には、例えば、アルミニウム合金が用いられる。
【００６１】
第２金属部材１５と、複数の第２金属導体５０は、それぞれ接合材９ａにより接合される。同様に、第１金属部材１３と、複数の第１金属導体３０は、それぞれ接合材９ｃにより接合される。これら接合材９ａ，９ｃには、上述した、サブモジュール２０内において用いられる第１接合材８ａ〜８ｇ比べて融点が低いものが用いられ、以下に「第２接合材」と記す。例えば、サブモジュール２０内の第１接合材８ａ〜８ｇに、融点が２２０℃のはんだが用いられる場合、サブモジュール２０外にある第２接合材９ａ，９ｃには、融点が２００℃のはんだが用いられる。このようなはんだには、例えば、錫とビスマスを原料とするものがある。
【００６２】
本実施形態の第１金属部材１３は、半導体素子２２（図２参照）の厚さ方向Ｔに垂直な方向に広がる板状の部分（以下、板状部と記す）１３ｃを有している。板状部１３ｃは、厚さ方向Ｔの内側にある内面１３ｂと、外側にある外面１３ｄを有している。第１金属部材１３は、板状部１３ｃから各サブモジュール２０に対応して厚さ方向Ｔの内側に突出する部分（以下、内側突出部と記す）１３ａを有している。内側突出部１３ａは、対応するサブモジュール２０の第１金属導体３０に接合される。
【００６３】
また、第１金属部材１３の外面１３ｄには、サブモジュール２０の第１金属導体３０からの熱を放熱する複数のフィン１３ｆが形成されている。本実施形態において、複数のフィン１３ｆは、板状部１３ｃから厚さ方向Ｔの外側に突出している。
【００６４】
同様に、第２金属部材１５は、板状部１５ｃと、内側突出部１５ａと、複数のフィン１５ｆを有している。内側突出部１５ａは、板状部１５ｃの内面１５ｂから突出しており、対応するサブモジュール２０の第２金属導体５０に接合される。第２金属部材１５の外面１５ｄには、サブモジュール２０の第２金属導体５０からの熱を放熱する複数のフィン１５ｆが形成されている。本実施形態において、複数のフィン１５ｆは、板状部１５ｃから厚さ方向Ｔの外側に突出している。
【００６５】
また、半導体装置１０は、厚さ方向Ｔにおいて第１金属部材１３と第２金属部材１５との間に配置された配線基板９０を有している。配線基板９０は、図５及び図６に示すように、複数のサブモジュール２０にそれぞれ対応する複数の開口９２を有している。
【００６６】
配線基板９０は、図６に示すように、厚さ方向Ｔに垂直な方向において第１金属部材１３及び第２金属部材１５より外側に配置された外部ゲート端子９３を有している。本実施形態において、配線基板９０は、厚さ方向Ｔに垂直な方向において第１金属部材１３及び第２金属部材１５より外側に突出している外側突出部９１を有しており、外部ゲート端子９３は、当該外側突出部９１に設けられている。
【００６７】
配線基板９０は、外部ゲート端子９３と、各サブモジュール２０のゲート端子２９とを電気的に接続するための配線（以下、ゲート配線と記す）９４を有している。本実施形態においてゲート配線９４は、配線基板９０のうち第１金属部材１３の板状部１３ｃの内面１３ｂと対向する面（図５参照）に形成されている。
【００６８】
本実施形態の配線基板９０は、図５〜図７に示すように、当該ゲート配線９４と電気的に接続されており、各サブモジュール２０から延びているゲート端子２９を受ける複数の受け部９５を有している。各受け部９５は、配線基板９０を貫通している貫通孔（スルーホール）を含み、当該貫通孔にゲート端子２９が接合されることによりゲート配線９４と電気的に接続される、いわゆる「スルーホール接合部」である。
【００６９】
各サブモジュール２０は、開口９２の内側に配置され、そのゲート端子２９が、当該開口９２の近傍にある受け部９５に結合される。これにより、各サブモジュール２０の半導体素子２２のゲート電極面２８は、ゲート配線９４を介して、共通の外部ゲート端子９３（図６参照）に電気的に接続される。
【００７０】
また、本実施形態の配線基板９０のうち外側突出部９１には、外部ゲート端子９３と隣り合って外部エミッタ端子９６が設けられている。配線基板９０は、各サブモジュール２０の第２金属導体５０すなわちエミッタと、外部エミッタ端子９６とを電気的に接続するための配線（以下、エミッタ配線と記す）９７を有している。本実施形態においてエミッタ配線９７は、配線基板９０のうちゲート配線９４が形成される面は反対側、すなわち第２金属部材１５の板状部１５ｃの内面１５ｂと対向する面（図５参照）に形成されている。
【００７１】
本実施形態の第２金属部材１５は、その板状部１５ｃの内面１５ｂから配線基板９０に向けて厚さ方向Ｔの内側に突出しており、当該配線基板９０と結合される支柱（以下、エミッタ信号用支柱と記す）１５ｅを有している。また、エミッタ信号用支柱１５ｅは、第２金属部材１５に対して配線基板９０を支持している。エミッタ信号用支柱１５ｅが配線基板９０のうちエミッタ配線９７と接することにより、各サブモジュール２０の第２金属導体５０は、当該エミッタ信号用支柱１５ｅ及びエミッタ配線９７を介して、共通の外部エミッタ端子９６に電気的に接続される。
【００７２】
本実施形態において、エミッタ配線９７を含む配線基板９０は、ねじ９８により第２金属部材１５のエミッタ信号用支柱１５ｅに結合される。配線基板９０のうちエミッタ配線９７が形成された所定の部分には、ねじ９８が通る貫通孔が形成されており、エミッタ信号用支柱１５ｅには、ねじ９８が螺合可能な雌ねじが形成されている。配線基板９０の貫通孔を通したねじ９８を、エミッタ信号用支柱１５ｅの雌ねじ螺合することにより、配線基板９０を第２金属部材１５に固定すると共に、各サブモジュール２０の第２金属導体５０を、エミッタ配線９７に電気的に接続することができる。
【００７３】
（半導体装置の製造方法）
本実施形態の半導体装置１０の製造方法の一例について、図１〜図８−２を参照して説明する。図８−１は、本実施形態の半導体装置の製造工程を説明する斜視図であり、（ａ）は、複数のサブモジュールにそれぞれ対応する複数の接合面が第２金属部材上に形成された態様を示し、（ｂ）は、第２金属部材上に配線基板が配置された態様を示し、（ｃ）は、第２金属基板に形成された複数の接合面上にそれぞれサブモジュールが配置された態様を示している。図８−２は、本実施形態の半導体装置の製造工程を説明する斜視図であり、（ｄ）は、複数のサブモジュールが、第１金属部材と第２金属部材との間に挟まれた態様を示し、（ｅ）は、第１金属部材と第２金属部材との間において複数のサブモジュールを囲うように側面ケースが配置された態様を示し、（ｆ）は、厚さ方向Ｔにおいて第１金属部材の外側と第２金属部材の外側に、それぞれ液冷ジャケットが配置された態様を示している。
【００７４】
まず、図８−１に（ａ）で示すように、第２金属部材１５の内側突出部１５ａ上に、ぬれ性（wettability）が他に比べて高い接合面９ｅを形成する。本実施形態において、第２金属部材１５は、アルミニウム合金で構成されており、内側突出部１５ａ上には、アルニウム合金に比べてぬれ性が高い接合面９ｅ、例えば、銅で構成された接合面９ｅを形成する。例えば、コールドスプレー法により銅又はニッケルの粒子を内側突出部１５ａに吹き付けて、当該内側突出部１５ａ上に銅又はニッケルの被膜を形成する。
【００７５】
これにより、複数のサブモジュール２０の第２金属導体５０の第２外面５５にそれぞれ対応する複数の接合面９ｅが形成される。なお、当該接合面９ｅは、第２金属導体５０の板状部１５ｃ上に銅又はニッケルの層を形成して、当該層を内側突出部１５ａとするものとしても良い。
【００７６】
その後、図８−１に（ｂ）で示すように、第２金属部材１５のエミッタ信号用支柱１５ｅ上に配線基板９０を配置して、ねじ９８（図５参照）等により当該配線基板９０を第２金属部材１５に固定する。配線基板９０の開口９２を通して接合面９ｅにアクセス可能である。各接合面９ｅ上には、はんだ等の第２接合材９ｃ（図５参照）を配置する。
【００７７】
その後、図８−１に（ｃ）で示すように、複数の接合面９ｅ上にそれぞれ対応するサブモジュール２０を配置する。各サブモジュール２０は、図５に示すように、第２金属導体５０が接合面９ｅと接するように配置される。これにより、各サブモジュール２０を、第２金属部材１５に接合可能となる。このとき、各サブモジュール２０のゲート端子２９は、受け部（スルーホール接合部）９５に挿入される。各サブモジュール２０において、第１金属導体３０の第１外面３５は露出している。当該第１外面３５上には、はんだ等の第２接合材９ａ（図５参照）が配置される。
【００７８】
その後、当該第２接合材９ａ上に、図５及び図８−２に（ｄ）で示すように第１金属部材１３を配置して、各サブモジュール２０を、第１金属部材１３と第２金属部材１５との間に挟む。アルミニウム合金製の第１金属部材１３の内側突出部１３ａには、第２金属部材１５の接合面９ｅ（図８−１参照）と同様に、銅で構成された被膜を形成することが好適である。第１金属部材１３は、当該被膜が形成された内側突出部１３ａが、第２接合材９ａと接するように配置される（図５参照）。
【００７９】
その後、図８−２に（ｅ）で示すように、第１金属部材１３と第２金属部材１５との間において複数のサブモジュール２０を囲う略環状の部材（以下、側面ケースと記す）１４を取り付ける。側面ケース１４は、複数のサブモジュール２０のアレイの厚さ方向Ｔと垂直な方向の外側に配置される。本実施形態において、側面ケース１４は、略Ｃ字状をなしている２つの半体１４ａ，１４ｃで構成されている。第１金属部材１３と第２金属部材１５との間に半体１４ａ，１４ｃをそれぞれ挿入し、これら半体１４ａ，１４ｃを互いに結合する。
【００８０】
これにより、複数のサブモジュール２０を収容する空間は、第１金属部材１３と第２金属部材１５との間において略環状の側面ケース１４により囲まれて密閉される。この状態において、第１金属部材１３、側面ケース１４及び第２金属部材１５は、これらにより囲まれた空間に収容された複数のサブモジュール２０及び配線基板９０と共に加熱されて、サブモジュール２０外にある第２接合材９ａ，９ｃが溶融する。第２接合材９ａにより各サブモジュール２０の第１金属導体３０と第１金属部材１３が接合され、第２接合材９ｃにより第２金属導体５０と第２金属部材１５が接合される。このとき、サブモジュール２０内にある第１接合材８ａ〜８ｇは、サブモジュール２０外にある第２接合材９ａ，９ｃに比べて融点が高いので再溶融することがない。
【００８１】
その後、図８−２に（ｆ）で示すように、第１金属部材１３には、フィン１３ｆを含む外面１３ｄを覆い、且つ当該外面１３ｄとの間に冷却液を通す通路を形成する部材（以下、第１液冷ジャケットと記す）１７が取り付けられる。同様に、第２金属部材１５には、フィン１５ｆを含む外面１５ｄを覆い、且つ当該外面１５ｄとの間に冷却液を通す通路を形成する部材（以下、第２液冷ジャケットと記す）１９が取り付けられる。これら液冷ジャケット１７，１９は、それぞれ、上述した通路に冷却液を流入又は流出させるための開口１８を有している。冷却液には、例えば、水を用いることが可能である。なお、冷却液は、エチレングリコール等を含むクーラントであるものとしても良い。
【００８２】
本実施形態において、液冷ジャケット１７，１９は、それぞれ合成樹脂で構成されている。なお、液冷ジャケット１７，１９は、金属で構成されているものとしても良い。開口１８を通して冷却液を流すことにより、第１金属部材１３及び第２金属部材１５は、それぞれ、複数のサブモジュール２０にからのジュール熱を、冷却液に伝達して排出することができ、各サブモジュール２０を冷却することができる。これにより、各サブモジュール２０に大電流が流れた場合であっても、当該サブモジュール２０内における温度上昇を抑制することができ、半導体素子２２（図２参照）の近傍にある金属導体３０，４０，５０及び第１接合材８ａ，８ｃ，８ｅが溶融、気化（昇華）することを抑制することができる。
【００８３】
［他の実施形態］
上述した実施形態において、図２に示すように、第２金属導体５０と半導体素子２２との間には、スペーサとしての内部金属導体４０が配置されており、第２主面２６のうちエミッタ電極面２７と第２外面５５は、内部金属導体４０を介して電気的に接続されるものとしたが、本発明に係る第２金属導体は、この態様に限定されるものではない。第２金属導体は、半導体素子の第２主面のうち少なくとも一部と電気的に接続されており、且つサブモジュール外に露出する第２外面を有するものであれば良い。本発明に係る第２金属導体は、例えば、第２外面を有する金属導体に、スペーサとしての金属導体が一体に結合された一つの金属導体であるものとしても良い。
【００８４】
また、上述した実施形態において、サブモジュール２０内にある半導体素子２２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を形成するものであり、第１主面２３は、コレクタ電極面２４を含み、第２主面２６は、エミッタ電極面２７と、ゲート電極面２８と、エミッタ電極面２７からゲート電極面２８を電気的に絶縁するガードリングとを含むものとしたが、本発明に係る半導体素子は、この態様に限定されるものではない。半導体素子の第１主面及び第２主面は、それぞれ第１金属導体及び第２金属導体に電気的に接続されており、且つ金属で構成されて電極面を有していれば良い。
【００８５】
例えば、図９に示すように、半導体素子２２Ｃが、ファスト・リカバリ・ダイオード（ＦＲＤ：Fast Recovery Diode）等のダイオードを形成するものとしても良い。この場合、第１主面は、本実施形態と同様に、コレクタ電極面を含み、第２主面は、エミッタ電極面を含み、且つゲート電極面を含んでおらず、当該半導体素子２２が内部に配置されたサブモジュール２０Ｃは、ゲート端子を有していないものとすることができる。
【００８６】
また、本発明に係る半導体装置内に配列されている複数の半導体素子は、全て同一種類のものでなくとも良い。本発明に係る半導体装置は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を形成する半導体素子と、ＦＲＤ等のダイオードを形成する半導体素子が、混在して配列されているものとしても良い。
【００８７】
本発明のいくつかの実施形態について説明したが、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とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８８】
８ａ，８ｃ，８ｄ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ：第１接合材（接合材、はんだ）、９ａ，９ｃ：第２接合材（接合材、はんだ）、９ｅ：接合面、１０：半導体装置、１３：第１金属部材（金属部材）、１３ａ：内側突出部（第１金属部材）、１３ｂ：内面（第１金属部材、板状部）、１３ｃ：板状部（第１金属部材）、１３ｄ：外面（第１金属部材、板状部）、１３ｆ：フィン（第１金属部材）、１４：側面ケース、１４ａ，１４ｃ：半体（側面ケース）、１５：第２金属部材、１５ａ  ：内側突出部（第２金属部材）、１５ｂ：内面（第２金属部材）、１５ｃ：板状部（第２金属部材）、１５ｄ：外面（第２金属部材）、１５ｅ：エミッタ信号用支柱（第２金属部材）、１５ｆ：フィン（第２金属部材）、１７，１９：液冷ジャケット、１８：開口（液冷ジャケット）、２０，２０Ｃ：半導体装置用サブモジュール（サブモジュール）、２２，２２Ｃ：半導体素子、２３：第１主面（半導体素子、主面）、２４：コレクタ電極面（半導体素子、第１主面）、２６：第２主面（半導体素子、主面）、２７：エミッタ電極面（半導体素子、第２主面）、２８：ゲート電極面（半導体素子、第２主面）、２９：ゲート端子、３０：第１金属導体（金属導体）、３１：内面（第１金属導体）、３２：内側部分（第１金属導体）、３２ａ：突出縁部（第１金属導体、内側部分）、３４：外側部分（第１金属導体）、３５：第１外面（第１金属導体）、４０：内部金属導体（金属導体）、４１：下面（内部金属導体）、４２：基部（内部金属導体）、４３：対向面（内部金属導体）、４４：突出部（内部金属導体）、４５：上面（内部金属導体）、５０：第２金属導体（金属導体）、５１：内面（第２金属導体）、５２：内側部分（第２金属導体）、５２ａ：突出縁部（第２金属導体、内側部分）、５４：外側部分（第２金属導体）、５５：第２外面（外面）、６０：支柱、６１：金属端部（支柱）、６３：絶縁中央部（支柱、電気絶縁材料）、６５：金属端部（支柱）、７０：外囲部（合成樹脂）、７１：内側部分（外囲部、部分）、７３：第１縁部分（外囲部、部分）、７４：第１側部分（外囲部、部分）、７５：支柱側部分（外囲部、部分）、７６：第２側部分（外囲部、部分）、７７：第２縁部分（外囲部、部分）、８０：金属フレーム、８１：開口縁部（金属フレーム）、８３：外縁部（金属フレーム）、８５：ボンディングワイヤ、９０：配線基板、９１：外側突出部（配線基板）、９２：開口（配線基板）、９３：外部ゲート端子（配線基板）、９４：ゲート配線（配線基板）、９５：受け部（配線基板、スルーホール接合部）、９６：外部エミッタ端子（配線基板）、９７：エミッタ配線（配線基板）、９８：ねじ（配線基板固定用ねじ）
【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８−１】
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【図８−２】
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【図９】
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