(57)【要約】【課題】大電流を出力可能で信頼性が高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、相互に離隔して配置された第１金属板及び第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に設けられた半導体ユニットと、前記第１金属板に固定され、前記半導体ユニットから見て、前記第１金属板から前記第２金属板に向かう第１方向に対して交差した第２方向の両側に設けられた側壁と、を備える。前記半導体ユニットは、前記第１金属板に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に接続された第２金属部材と、前記第２方向において前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に設けられ、前記第１金属部材と前記第２金属部材に接続された半導体素子と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に離隔して配置された第１金属板及び第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板との間に設けられた半導体ユニットと、
前記第１金属板に固定され、前記半導体ユニットから見て、前記第１金属板から前記第２金属板に向かう第１方向に対して交差した第２方向の両側に設けられた側壁と、
を備え、
前記半導体ユニットは、
前記第１金属板に接続された第１金属部材と、
前記第２金属板に接続された第２金属部材と、
前記第２方向において前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に設けられ、前記第１金属部材と前記第２金属部材に接続された半導体素子と、
を有した半導体装置。
【請求項２】
前記半導体ユニットは、前記第１金属部材の一部、前記第２金属部材の一部、及び、前記半導体素子を覆う絶縁性の封止部材をさらに有し、
前記側壁は、前記封止部材に当接している請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体ユニットと前記側壁との間に配置された絶縁封止材をさらに備え、
前記半導体ユニットは、前記第１金属部材の一部、前記第２金属部材の一部、及び、前記半導体素子を覆う絶縁性の封止部材をさらに有し、
前記絶縁封止材は、前記側壁及び前記封止部材に当接している請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１金属板と前記側壁は一体的に形成されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１金属板は、フィンを有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１金属板には、流路が形成されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記側壁の先端から前記第１金属板から遠ざかる方向に延出しつつ、前記第２金属板から遠ざかるように湾曲した上縁部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】
第１金属部材と、
前記第１金属部材から第１方向に離隔した金属板と、
前記第１金属部材と前記金属板との間に設けられたｎ個（ｎは１以上の整数）の半導体ユニットと、
を備え、
前記第１金属部材は、
前記金属板に対して平行に配置された板部と、
前記板部と一体的に形成され、前記板部から前記第１方向に延出し、前記第１方向に対して交差した第２方向に沿って、前記半導体ユニットと交互に配列され、前記半導体ユニットに当接した（ｎ＋１）枚の側壁部と、
を有し、
前記半導体ユニットは、
前記第１金属部材に接続された第２金属部材と、
前記金属板に接続された第３金属部材と、
前記第２方向において前記第２金属部材と前記第３金属部材との間に設けられ、前記第２金属部材と前記第３金属部材に接続された半導体素子と、
を有した半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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においては、単一のパッケージに複数のスイッチング素子を搭載し、並列に接続して動作させる場合がある。また、このような半導体装置を複数個直列に接続して使用する場合もある。このような半導体装置には、高い信頼性が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３２５８２００号公報
【特許文献２】特許第４３８５３２４号公報
【特許文献３】特許第４２９２６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態の目的は、大電流を出力可能で信頼性が高い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】
【０００５】
実施形態に係る半導体装置は、相互に離隔して配置された第１金属板及び第２金属板と、前記第１金属板と前記第２金属板との間に設けられた半導体ユニットと、前記第１金属板に固定され、前記半導体ユニットから見て、前記第１金属板から前記第２金属板に向かう第１方向に対して交差した第２方向の両側に設けられた側壁と、を備える。前記半導体ユニットは、前記第１金属板に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に接続された第２金属部材と、前記第２方向において前記第１金属部材と前記第２金属部材との間に設けられ、前記第１金属部材と前記第２金属部材に接続された半導体素子と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置を示す分解斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態における半導ユニットを示す断面図である。
【図４】（ａ）は第１の実施形態における半導体素子を示す平面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図５】第１の実施形態に係る半導体装置において、内部に生じる力を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図７】第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図８】第４の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図９】第５の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１０】第６の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る半導体装置を示す分解斜視図である。
図２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３は、本実施形態における半導ユニットを示す断面図である。
図４（ａ）は本実施形態における半導体素子を示す平面図であり、（ｂ）はその側面図である。
なお、図１においては、図示の便宜上、後述する側壁９１及び封止部材３５等を省略している。
【０００８】
先ず、本実施形態に係る半導体装置１の全体の構成について、概略的に説明する。
半導体装置１は、例えば、数キロボルトの高電圧及び数キロアンペアの大電流を制御する大電流制御用の半導体装置である。
【０００９】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、２枚の金属板１０及び２０と、１枚の金属帯８０と、２個の半導体ユニット３０と、２枚の接続部材５１と、２枚の接続部材５２と、２本のボンディングワイヤ３７と、２個の接続部材７２と、３枚の側壁９１と、３枚の接合部材９２と、ケース６０と、を備える。２枚の金属板１０及び２０は相互に離隔して且つ平行に配置されており、金属板１０と金属板２０との間には、２つの半導体ユニット３０及び３枚の側壁９１が配置されている。
【００１０】
以下、本明細書においては、説明の便宜上、ＸＹＺ直交座標系を採用する。金属板１０の２つの主面１０ａ及び１０ｂ、並びに、金属板２０の２つの主面２０ａ及び２０ｂに平行な方向であって、相互に直交する方向を「Ｘ方向」及び「Ｙ方向」とする。また、金属板１０から金属板２０に向かう方向を「Ｚ方向」とする。
【００１１】
２個の半導体ユニット３０及び３枚の側壁９１は、Ｘ方向に沿って交互に且つ相互に当接して配列されている。すなわち、側壁９１は、２個の半導体ユニット３０からなる組のＸ方向両側、及び、２個の半導体ユニット３０間に配置されている。このため、側壁９１は、各半導体ユニット３０のＸ方向両側に配置されている。側壁９１の形状は、ＹＺ平面に沿って拡がる板状であり、半導体ユニット３０及びケース６０に接している。
【００１２】
ケース６０は絶縁性材料からなる枠状の部材である。ケース６０は、金属板１０、金属板２０、金属帯８０、２個の半導体ユニット３０、及び、３枚の側壁９１等からなる構造体の側方、すなわち、Ｘ方向両側及びＹ方向両側に配置され、ＸＹ平面においてこの構造体を囲んでいる。これにより、ケース６０は、これらの部品を固定的に保持し、半導体装置１の機械的な強度を担保すると共に、外部からの異物の侵入を阻止する。
【００１３】
以下、各部品について、詳細に説明する。
金属板１０及び２０は、ほぼ長方形の平板であり、上述の如く、金属板１０の主面１０ａ及び１０ｂ、並びに、金属板２０の主面２０ａ及び２０ｂは、ＸＹ平面に対して平行である。従って、金属板１０及び２０の厚さ方向はＺ方向である。金属板１０の主面１０ａと金属板２０の主面２０ａは相互に対向している。金属板１０の主面１０ｂ及び金属板２０の主面２０ｂは半導体装置１の外面の一部を構成している。金属帯８０の形状は、Ｘ方向を長手方向としＹ方向を幅方向としＺ方向を厚さ方向とする帯状であり、金属板２０から見てＹ方向に配置されている。金属帯８０も半導体装置１の外面の一部を構成している。
【００１４】
金属板１０及び２０、並びに、金属帯８０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。例えば、金属板１０及び２０並びに金属帯８０は、銅（Ｃｕ）、銅合金、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金によって形成されている。金属板１０および金属板２０は、半導体装置１の２つの主電極として機能する。また、金属帯８０は半導体装置１の制御電極として機能する。
【００１５】
側壁９１の形状は長方形の板状であり、上述の如く、その主面は、ＹＺ平面に平行である。従って、側壁９１の厚さ方向はＸ方向である。３枚の側壁９１は、金属板１０と金属板２０によって挟まれており、且つ、２個の半導体ユニット３０の間と、両外側となる位置に配置されている。側壁９１は、金属又はセラミクスなど、強度が高い材料により形成されている。側壁９１は、接合部材９２によって、金属板１０に固定されている。
【００１６】
ケース６０は、３枚の側壁９１のうち、２個の半導体ユニット３０のＸ方向両側に配置された２枚の側壁９１に接している。また、ケース６０は、金属板１０の側面における金属板２０側の領域と、金属板２０の側面における金属板１０側の領域に接している。
【００１７】
次に、各半導体ユニット３０の構成について説明する。
図１〜図３に示すように、各半導体ユニット３０は、Ｚ方向においては金属板１０と金属板２０に挟まれ、Ｘ方向及びＹ方向においてはケース６０に囲まれ、また、Ｘ方向において３枚の側壁９１のうち２枚の側壁９１に挟まれている。半導体ユニット３０の形状は略直方体であり、その表面は、ＸＹ平面、ＸＺ平面およびＹＺ平面に対して平行である。
【００１８】
各半導体ユニット３０は、金属部材３１と、金属部材３２と、接合部材３３と、接合部材３４と、半導体素子４０と、ボンディングワイヤ３７と、接続部材７２と、封止部材３５と、を有する。金属部材３１、接合部材３３、半導体素子４０、接合部材３４、及び、金属部材３２は、Ｘ方向に沿ってこの順に積層されており、隣り合う部材同士は相互に接している。
【００１９】
半導体素子４０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等の制御電極によって制御されるスイッチング素子である。
【００２０】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体素子４０においては、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板４１が設けられている。半導体基板４１の一方の主面４１ａの略全体には、電極４２が設けられている。電極４２は、例えば、コレクタ電極又はドレイン電極である。半導体基板４１の他方の主面４１ｂには、電極４３及び電極４４が設けられている。電極４３は、例えば、エミッタ電極又はソース電極である。電極４４は、例えば、ゲート電極である。電極４４の形状は、例えば、円形又は矩形であり、電極４３の形状は、電極４４に２方向から対向するＬ字状である。電極４２、４３及び４４は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、又は金（Ａｕ）等を含み、蒸着又はスパッタリング等の成膜手段によって半導体基板４１上に形成されたものである。
【００２１】
図１〜図３に示すように、金属部材３１の形状は、略方形の板材であり、その主面はＹＺ平面に略平行である。金属部材３１の主面は、接合部材３３を介して、半導体素子４０の電極４２に接続されている。なお、本明細書において、「接続」とは、電気的に接続されていることをいう。
【００２２】
金属部材３２は、一体的に形成された主部３２ｂ及び凸部３２ｃを含む。主部３２ｂの形状は略板状であり、凸部３２ｃは、主部３２ｂから半導体素子４０側、すなわち、Ｘ方向側に突出している。Ｘ方向から見て、凸部３２ｃの形状は、半導体素子４０の電極４３に対応したＬ字状である。凸部３２ｃは、接合部材３４を介して、半導体素子４０の電極４３に接続されている。
【００２３】
金属部材３１、接合部材３３、半導体素子４０、接合部材３４、及び、金属部材３２からなる積層体は、封止部材３５によって覆われている。封止部材３５は、例えばエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂からなる。封止部材３５は半導体ユニット３０の外表面の大部分を構成し、側壁９１に当接している。封止部材３５は、例えば、上述の積層体を金型内に装入し、この金型内に液状の樹脂材料を注入した後、周囲を真空雰囲気とし、その後、樹脂材料を固化させることにより、形成することができる。これにより、積層体の周囲に気泡を残さずに封止することができる。
【００２４】
但し、金属部材３１の金属板１０に向いた面３１ａと、金属部材３２の金属板２０に向いた面３２ａは、封止部材３５から露出している。面３１ａ及び面３２ａは、ＸＹ平面に対して略平行である。面３１ａは接続部材５１を介して金属板１０の主面１０ａに接続されており、面３２ａは接続部材５２を介して金属板２０の主面２０ａに接続されている。
【００２５】
接合部材３３及び３４、並びに、接続部材５１及び５２は、組立作業工程において液化又は軟化し得る導電性材料からなり、例えば、ハンダ、導電性接着剤又は銀ペースト等からなる。
【００２６】
一方、半導体素子４０の電極４４は、ボンディングワイヤ３７を介して、接続部材７２に接続されている。接続部材７２は金属帯８０に接続されている。ボンディングワイヤ３７の全体及び接続部材７２の一部は封止部材３５中に配置されており、接続部材７２の残部は封止部材３５の外部に突出している。
【００２７】
このようにして、半導体素子４０の電極４２は、接合部材３３、金属部材３１及び接続部材５１を介して、金属板１０に接続されている。半導体素子４０の電極４３は、接合部材３４、金属部材３２及び接続部材５２を介して、金属板２０に接続されている。半導体素子４０の電極４４は、ボンディングワイヤ３７及び接続部材７２を介して、金属帯８０に接続されている。
【００２８】
半導体装置１において、各半導体ユニット３０の電極４２は金属板１０に共通接続され、電極４３は金属板２０に共通接続され、電極４４は金属帯８０に共通接続されている。これにより、２個の半導体ユニット３０に含まれる２個の半導体素子４０は、金属板１０と金属板２０との間で並列に接続されている。
【００２９】
図２に示すように、半導体装置１においては、Ｘ方向に沿って、ケース６０の一部、側壁９１、半導体ユニット３０、側壁９１、半導体ユニット３０、側壁９１、及び、ケース６０の他の一部が、密着して隙間無く配列されている。また、各半導体ユニット３０においては、封止部材３５の一部、金属部材３２、接合部材３４、半導体素子４０、接合部材３３、金属部材３１、及び、封止部材３５の他の一部が、密着して隙間無く配列されている。このため、半導体装置１は堅牢である。
【００３０】
次に、本実施形態に係る半導体装置１の動作について説明する。
図５は、本実施形態に係る半導体装置において、内部に生じる力を示す断面図である。
例えば、半導体装置１は大電流を制御する電力制御装置に組み込まれる。例えば、複数個の半導体装置１が並列に接続されて１つのモジュールを構成し、このようなモジュールが複数段直列に接続されることにより１つの電力制御装置を構成する。これにより、複数段のモジュールで電圧を分担し、各モジュール中の複数個の半導体装置１で電流を分担し、各半導体装置１内では例えば２個の半導体ユニット３０で電流を分担することにより、高電圧の大電流を安全に制御することができる。
【００３１】
半導体装置１の使用中において、何らかの原因により半導体素子（チップ）が短絡故障を起こし、半導体素子に大電流が流れた場合を想定する。この場合、半導体素子がジュール熱によって高温になり、半導体素子の一部、例えばシリコンが気化し、体積が膨張する。これにより、内圧が上昇し、金属部材３１及び金属部材３２に対して、互いに分離させる方向の荷重が発生する。
【００３２】
より具体的には、図５に示すように、半導体素子４０Ｓに短絡が発生し、半導体素子４０Ｓの一部が気化した場合、内圧上昇により、半導体素子４０Ｓから右向き荷重Ｆ１Ｒ及び左向き荷重Ｆ１Ｌが発生する。右向き荷重Ｆ１Ｒは、半導体ユニット３０Ｓの金属部材３１を図示の右方向に変形させようとし、左向き荷重Ｆ１Ｌは、半導体ユニット３０Ｓの金属部材３２を図示の左方向に変形させようとする。
【００３３】
しかしながら、半導体装置１においては、半導体ユニット３０Ｓは２つの側壁９１によって挟まれており、両側とも、側壁９１に当接している。側壁９１は接合部材９２によって金属板１０に固定されている。
【００３４】
このため、半導体ユニット３０Ｓに発生した右向き荷重Ｆ１Ｒと左向き荷重Ｆ１Ｌに対して、側壁９１が、向きが逆で大きさが同じ左向き反力Ｆ２Ｌと、右向き反力Ｆ２Ｒを発生させる。右向き荷重Ｆ１Ｒと左向き反力Ｆ２Ｌが釣り合い、左向き荷重Ｆ１Ｌと右向き反力Ｆ２Ｒが釣り合うため、各々お互いに打ち消し合う。
【００３５】
半導体素子４０の短絡により生じる荷重は一般に大きい。仮に、側壁９１が存在しない場合、左向き荷重Ｆ１Ｌ及び右向き荷重Ｆ１Ｒにより、金属部材３１と金属板１０を接続する接続部材５１、金属部材３２と金属板２０を接続する接続部材５２、及び、半導体ユニット３０の封止部材３５に大きな応力が発生する。
【００３６】
接続部材５１、接続部材５２、封止部材３５は、いずれも単一の金属材料と比較すると強度が低いため、大きな荷重に対抗するためには、接続部材５１、接続部材５２、封止部材３５を厚くする必要がある。その結果、半導体ユニット３０の全体の体格が大きくなり、結果として半導体装置１全体の体格が大きくなる。
【００３７】
特に、封止部材３５には、圧縮力のみならず、引張、曲げ、せん断などが混合した複雑な荷重が生じる。それらの混合荷重が生じた場合は、単純な圧縮荷重が生じる場合と比較して、樹脂材料が許容できる限度を超える可能性が高い。許容限度を超過すると、封止部材３５等にき裂が発生し、このき裂が伸展し、ついには破断に至る可能性もある。
【００３８】
本実施形態においては、半導体ユニット３０において発生した荷重に対抗する反力が、側壁９１により発生する。封止部材３５は、半導体ユニット３０に発生する荷重と、側壁９１により発生する反力とをそれぞれ受ける。封止部材３５には、荷重と反力による圧縮力が主に働く。このように、封止部材３５に圧縮荷重のみが印加される場合は、引張、曲げ、せん断などの混合荷重が働く場合と比較して、耐性が高い。このため、封止部材３５を厚くしなくても、発生する応力を材料の許容応力以下にすることができる。
【００３９】
また、発生荷重の多くの部分が側壁９１に圧縮力として作用するので、接続部材５１及び５２に作用するせん断力が軽減され、接続部材５１及び５２を厚くしなくても、発生する応力を材料の許容応力以下にすることができる。
【００４０】
側壁９１にも、半導体ユニット３０に発生する荷重により、圧縮応力が発生する。しかしながら、側壁９１は単一の金属材料又はセラミクス等の高強度な材料により形成されているため、発生する応力を材料の許容応力以下にすることができる。
【００４１】
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述の如く、本実施形態によれば、半導体ユニット３０のＸ方向両側に側壁９１が設けられており、半導体ユニット３０は側壁９１に当接している。このため、仮に、半導体素子４０が短絡して半導体ユニット３０内に大きな荷重が発生しても、側壁９１によってこの荷重に対抗する反力を発生させられる。この結果、半導体ユニット３０が破裂することを抑制できる。
【００４２】
この場合、一旦気化した半導体素子４０の材料は、半導体ユニット３０内において再び凝固し、電流の導通路を形成する。これにより、短絡が発生した半導体ユニット３０は、金属板１０と金属板２０との間で安定した短絡状態となる。
【００４３】
この結果、この半導体装置１を組み込んだモジュールは常時導通状態となり、スイッチング素子としては機能しなくなるが、このモジュールに直列に接続された他のモジュールが電圧を分担することにより、電流制御装置全体としては運転を継続することができる。このような電流制御装置は、例えばインフラシステムの電源として用いられているため、運転を継続できるメリットは大きい。そして、次回の補修作業のタイミングで、短絡故障した半導体装置１を良品と交換する。このように、本実施形態によれば、仮に、半導体素子４０が短絡しても、電流制御装置全体としては運転を継続できる信頼性が高い半導体装置を実現することができる。
【００４４】
これに対して、仮に、側壁９１が設けられていないと、半導体素子４０の短絡時に半導体ユニット３０が破裂する可能性が高くなる。半導体ユニット３０が破裂すると、金属部材３１と金属部材３２とが分離してしまう。この場合、金属部材３１と金属部材３２は、離隔した状態と接触した状態を不安定に繰り返すことになるため、半導体装置１の動作が著しく不安定になる。そして、この半導体装置１を組み込んだ電流制御装置も、安定した運転が困難になり、運転を停止せざるを得なくなる。
【００４５】
なお、本実施形態においては、半導体素子４０がＩＧＢＴ等の三端子素子である例を示したが、半導体素子４０は三端子素子には限定されず、ＦＲＤ（Fast Recovery Diode）等の制御電極を有しない二端子素子であってもよい。
【００４６】
また、半導体ユニット３０に設けられる半導体素子４０は、１つに限らない。同一の金属部材３１と金属部材３２との間に２つ以上の半導体素子を設けてもよい。この場合は、同じ種類の半導体素子を配置してもよいし、異なる種類の半導体素子を配置してもよい。異なる種類の半導体素子を配置する場合には、例えば、ＩＧＢＴとＦＲＤとを逆並列に接続してもよい。
【００４７】
更に、本実施形態においては、１個の半導体装置１に２個の半導体ユニット３０を設ける例を示したが、１つの半導体装置に１個の半導体ユニット３０を設けてもよく、３個以上の半導体ユニット３０を設けてもよい。但し、各半導体ユニット３０のＸ方向両側には側壁９１を設け、半導体ユニット３０が側壁９１に当接することが好ましい。一般的に表現すれば、ｎを１以上の整数とするとき、半導体装置にｎ個の半導体ユニット３０を設ける場合は、（ｎ＋１）枚の側壁９１を設け、側壁９１と半導体ユニット３０とを交互に密着して配列させることが好ましい。
【００４８】
（第２の実施形態）
図６は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００４９】
図６に示すように、本実施形態に係る半導体装置２においては、１枚の金属板と３枚の側壁が一体的に形成されている。すなわち、前述の第１の実施形態に係る半導体装置１（図１及び図２参照）と比較して、金属板１０、側壁９１及び接合部材９２の替わりに、金属部材１５が設けられている。金属部材１５の材料は、金属板１０の材料と同じである。
【００５０】
金属部材１５においては、ＸＹ平面に沿って拡がる板部１５ａが設けられており、板部１５ａからＺ方向に向けて、側壁部１５ｂが起立している。板部１５ａの形状は第１の実施形態の金属板１０（図２参照）と同じであり、側壁部１５ｂの形状は第１の実施形態の側壁９１（図２参照）と同じである。すなわち、側壁部１５ｂの形状はＹＺ平面に沿って拡がる板状であり、２個の半導体ユニット３０の間及びＸ方向両側に配置され、半導体ユニット３０及びケース６０に当接している。
【００５１】
本実施形態によれば、側壁部１５ｂは金属製で材料自体の強度が大きく、また、板部１５ａと一体的に構成されているため、接合部材９２（図２参照）が不要となる。これにより、板部１５ａと側壁部１５ｂとの機械的強度をより高めることができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００５２】
（第３実施形態）
図７は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００５３】
図７に示すように、本実施形態に係る半導体装置３は、前述の第２の実施形態に係る半導体装置２（図６参照）と比較して、金属部材１５の替わりに金属部材１６が設けられている点が異なっている。金属部材１６においては、板部１６ａ、側壁部１６ｂに加えて、多数のフィン１６ｃが一体的に形成されている。板部１６ａ及び側壁部１６ｂの形状は、第２の実施形態の板部１５ａ及び側壁部１５ｂの形状と同じである。フィン１６ｃは、板部１６ａから、Ｚ方向における側壁部１６ｂとは反対の向きに突出している。フィン１６ｃの形状は、例えば、板状又は柱状である。フィン１６ｃの先端が外部電極（図示せず）に接続される。従って、フィン１６ｃも半導体装置３の電極の一部である。
【００５４】
本実施形態によれば、半導体ユニット３０から発生した熱が、金属板２０を介して外気に放散されると共に、金属部材１６を介して外気に放散される。金属部材１６にはフィン１６ｃが設けられているため、フィン１６ｃを介して、自然対流又は強制対流により、外部の空気との間で熱交換される。このため、半導体装置３は放熱面積が大きく、排熱効率が高い。
【００５５】
この結果、半導体装置３に大電流を流し、大きな熱量が発生する場合にも、半導体装置３にヒートシンクを取り付ける必要がなくなり、ヒートシンクを取り付けるボルト等の固定手段も必要なくなる。この結果、モジュールを小型化することができる。また、金属板とヒートシンクとの接触面に介在させる熱伝導コンパウンドも不要となり、熱抵抗を低減できる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。
【００５６】
（第４の実施形態）
図８は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００５７】
図８に示すように、本実施形態に係る半導体装置４は、前述の第２の実施形態に係る半導体装置２（図６参照）と比較して、金属部材１５の替わりに金属部材１７が設けられている点が異なっている。金属部材１７においては、板部１７ａ及び側壁部１７ｂが設けられており、板部１７ａ内に複数の流路１７ｄが形成されている。側壁部１７ｂの形状は、第２の実施形態の側壁部１５ｂの形状と同じである。
【００５８】
流路１７ｄは、液体冷媒（図示せず）の通路として使用することができる。冷媒としては、純水等の絶縁性冷媒を使用することが望ましい。一般に、液体冷媒による熱交換能力は、空気による熱交換能力よりも大きい。このため、流路１７ｄの放熱面積は、第３の実施形態におけるフィン１６ｃの放熱面積よりも小さくすることができる。これにより、半導体装置４の体格を、第３の実施形態に係る半導体装置３の体格よりも小さくすることができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。
【００５９】
（第５実施形態）
図９は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００６０】
図９に示すように、本実施形態に係る半導体装置５は、前述の第２の実施形態に係る半導体装置２（図６参照）と比較して、金属部材１５及びケース６０の替わりに、金属部材１８が設けられている点が異なっている。金属部材１８においては、板部１８ａ及び側壁部１８ｂが設けられている。また、２個の半導体ユニット３０のＸ方向両側に設けられた２枚の側壁部１８ｂの先端には、上縁部１８ｃが設けられている。板部１８ａ、側壁部１８ｂ及び上縁部１８ｃは、金属材料により一体的に形成されている。
【００６１】
板部１８ａ及び側壁部１８ｂの形状は、第２の実施形態における板部１５ａ及び側壁部１５ｂ（図６参照）の形状と同じである。側壁部１８ｂは、半導体ユニット３０の側面における金属板２０近傍の領域を除く領域に当接している。上縁部１８ｃは、側壁部１８ｂの先端から更に板部１８ａから遠ざかる方向に延出しつつ、金属板２０から遠ざかる方向に湾曲している。例えば、上縁部１８ｃの先端は、金属板２０の主面２０ａの延長面を超えた位置にある。
【００６２】
本実施形態によれば、金属部材１８に上縁部１８ｃを設けることにより、金属部材１８にケース６０（図６参照）の機能を持たせている。すなわち、金属部材１８は、半導体装置５の各部品を固定的に保持し、機械的な強度を担保すると共に、半導体装置５内に異物等が侵入することを抑制する。この結果、ケース６０を省略できるため、半導体装置５のより一層の小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００６３】
また、金属部材１８には金属板２０とは異なる電位が印加されるが、金属部材１８の上縁部１８ｃが金属板２０から遠ざかる方向に湾曲しているため、金属部材１８と金属板２０との距離が確保され、金属部材１８と金属板２０との間で気中放電等が発生することを抑制できる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。
【００６４】
（第６の実施形態）
図１０は、本実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【００６５】
図１０に示すように、本実施形態に係る半導体装置６は、前述の第２の実施形態に係る半導体装置２（図６参照）と比較して、金属部材１５の替わりに金属部材１９が設けられている点、半導体ユニット３０の封止部材３５の形状、及び、金属部材１９と封止部材３５との間に絶縁封止材３９が充填されている点が異なっている。
【００６６】
金属部材１９においては、板部１９ａ及び側壁部１９ｂが設けられている。板部１９ａの形状は、第２の実施形態における板部１５ａ（図６参照）と同じである。一方、側壁部１９ｂの側面はＺ方向から傾斜している。すなわち、３枚の側壁部１９ｂのうち、Ｘ方向両側に配置された２枚の側壁部１９ｂは、板部１９ａから離れるほど、相互に離れる方向に傾斜している。この２枚の側壁部１９ｂの厚さ、すなわち、Ｘ方向の長さは、均一である。一方、２個の半導体ユニット３０間に配置された１枚の側壁部１９ｂは、ＸＺ断面が台形状となっており、Ｘ方向に向いた両側面がＺ方向に対して傾斜している。この側壁部１９ｂの両側面が傾斜する向きは、板部１９ａから離れるほど相互に近づくような向きである。
【００６７】
また、半導体ユニット３０の封止部材３５におけるＸ方向に向いた側面３５ａが膨らんでおり、この側面３５ａのＺ方向の中央部に、Ｙ方向に延びる稜線３５ｂが形成されている。
【００６８】
更に、本実施形態では、金属部材１９の側壁部１９ｂと封止部材３５が、互いにわずかに傾斜して対向するため、側壁部１９ｂの側面と封止部材３５の側面とを当接させることが困難である。そこで、金属部材１９と封止部材３５との間に、絶縁封止材３９を充填している。絶縁封止材３９は、金属部材１９における板部１９ａ及び側壁部１９ｂに囲まれた空間内に半導体ユニット３０を配置した後、充填されたものである。絶縁封止材３９は、側壁部１９ｂ及び封止部材３５に当接している。
【００６９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、封止部材３５をトランスモールド法により形成している。上述の如く、封止部材３５の側面３５ａが傾斜しているため、封止部材３５を成型した後、金型から離脱させやすい。側面３５ａの稜線３５ｂが金型分割面に相当する。
【００７０】
また、本実施形態においては、金属部材１９を鋳造法により形成している。この場合も、金属部材１９の側壁部１９ｂの側面が傾斜しているため、鋳造後の金属部材１９を型から離脱させやすい。
【００７１】
このように、本実施形態によれば、トランスファーモールド法によって封止部材３５を成型でき、鋳造法によって金属部材１９を作製できるため、量産が容易であり、半導体装置６の製造コストを低減することができる。
本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第２の実施形態と同様である。
【００７２】
以上説明した実施形態によれば、大電流を出力可能で信頼性が高い半導体装置を実現することができる。
【００７３】
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】
【００７４】
１、２、３、４、５、６：半導体装置
１０：金属板
１０ａ、１０ｂ：主面
１５：金属部材
１５ａ：板部
１５ｂ：側壁部
１６：金属部材
１６ａ：板部
１６ｂ：側壁部
１６ｃ：フィン
１７：金属部材
１７ａ：板部
１７ｂ：側壁部
１７ｄ：流路
１８：金属部材
１８ａ：板部
１８ｂ：側壁部
１８ｃ：上縁部
１９：金属部材
１９ａ：板部
１９ｂ：側壁部
２０：金属板
２０ａ、２０ｂ：主面
３０、３０Ｓ：半導体ユニット
３１：金属部材
３１ａ：面
３２：金属部材
３２ａ：面
３２ｂ：主部
３２ｃ：凸部
３３、３４：接合部材
３５：封止部材
３５ａ：側面
３５ｂ：稜線
３７：ボンディングワイヤ
３９：絶縁封止材
４０、４０Ｓ：半導体素子
４１：半導体基板
４１ａ、４１ｂ：主面
４２、４３、４４：電極
５１、５２：接続部材
６０：ケース
７２：接続部材
８０：金属帯
９１：側壁
９２：接合部材
【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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