(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属板と、
前記第１金属板から離間して設けられた第２金属板と、
前記第１金属板上に配置され、前記第２金属板に接続された２以上の半導体ユニットと、
を備え、
前記２以上の半導体ユニットのそれぞれは、
前記第１金属板に電気的に接続された第１金属部材と、
前記第２金属板に電気的に接続され、前記第１金属部材から離間して設けられた第２金属部材と、
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、第１主面で前記第１金属部材に接続され、前記第１主面の反対側の第２主面で前記第２金属部材に接続された半導体素子と、
を含み、
前記第１金属部材は、前記第１主面に接続される第１接続面を含み、
前記第２金属部材は、前記第２主面に接続される第２接続面を含み、
前記半導体素子は、前記第１接続面および前記第２接続面にそれぞれ対向する面を有するアクティブ領域を含み、
前記第１接続面の面積は、前記第１接続面に対向する前記アクティブ領域の面の面積よりも大きく、
前記第２接続面の面積は、前記第２接続面に対向する前記アクティブ領域の面の面積よりも大きい半導体装置。
【請求項２】
前記第１金属板と前記半導体ユニットとの間に設けられた導電性の第１接続部材と、
前記第２金属板と前記半導体ユニットとの間に設けられた導電性の第２接続部材と、
をさらに備え、
前記第１金属板は、第１面を有し、
前記第２金属板は、前記第１面に向き合う第２面を有し、
前記２以上の半導体ユニットは、前記第１金属板と前記第２金属板との間に配置され、
前記第１金属部材は、前記第１接続部材を介して前記第１金属板に電気的にそれぞれ接続され、
前記第２金属部材は、前記第２接続部材を介して前記第２金属板に電気的に接続された請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１接合部材は、前記第１接続面のすべてを覆い、
前記第２接合部材は、前記第２接続面のすべてを覆う請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１接続面および前記第２接続面は、面取りされた角部をそれぞれ含み、
前記第１接合部材および前記第２接合部材は、前記それぞれの角部を覆う請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子は、
前記アクティブ領域の周囲で前記半導体素子の外周に沿って設けられたガードリング形成領域と、
前記アクティブ領域と前記ガードリング形成領域との間に設けられ、前記アクティブ領域の抵抗率よりも高い抵抗率を有する非通電領域と、
を含む請求項２記載の半導体装置。
【請求項６】
前記非通電領域は、放熱性部材を含む請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１金属部材および前記第２金属部材のうち少なくとも一方の外縁は、前記アクティブ領域と前記非通電領域との境界から前記非通電領域と前記ガードリング形成領域との境界までの間にある請求項５記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第２金属板にそれぞれ接続された主回路配線をさらに備え、
前記主回路配線は、前記２以上の半導体ユニットを設けた領域の他の領域に設けられ、
前記第２金属板は、前記主回路配線の抵抗値よりも高い抵抗値を有する請求項１記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第２金属板は、電流が流れる方向に沿って、複数の屈曲部を有する請求項８記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記２以上の半導体ユニットは、機能の異なる半導体素子をそれぞれ含む請求項１記載の半導体装置。
【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では、動作時の温度上昇を極力抑制する必要があり、スイッチング素子を多数個並列接続して動作させる場合がある。【０００３】
並列に接続された複数のスイッチング素子を単一のパッケージに搭載した半導体モジュールがある。このような半導体モジュールでは、低熱抵抗を実現するとともに、高い安全性を確保する必要がある。
【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】
実施形態の目的は、安全性が高い大電流出力が可能な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】
【０００６】
実施形態に係る半導体装置は、第１金属板と、前記第１金属板から離間して設けられた第２金属板と、前記第１金属板上に配置され、前記第２金属板に接続された２以上の半導体ユニットと、を備える。前記２以上の半導体ユニットのそれぞれは、前記第１金属板に電気的に接続された第１金属部材と、前記第２金属板に電気的に接続され、前記第１金属部材から離間して設けられた第２金属部材と、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、第１主面で前記第１金属部材に接続され、前記第１主面の反対側の第２主面で前記第２金属部材に接続された半導体素子と、を含む。前記第１金属部材は、前記第１主面に接続される第１接続面を含む。前記第２金属部材は、前記第２主面に接続される第２接続面を含む。前記半導体素子は、前記第１接続面および前記第２接続面にそれぞれ対向する面を有するアクティブ領域を含む。前記第１接続面の面積は、前記第１接続面に対向する前記アクティブ領域の面の面積よりも大きい。前記第２接続面の面積は、前記第２接続面に対向する前記アクティブ領域の面の面積よりも大きい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【図２】第１の実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。
【図３】図１のＡＡ線における矢視断面図の例である。
【図４】第１の実施形態の半導体装置の特性を例示するグラフである。
【図５】比較例の半導体装置の一部を例示する断面図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、第１の実施形態の変形例の半導体装置の一部を例示する断面図である。
【図７】第２の実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。
【図８】第３の実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。
【図９】図９（ａ）は、第４の実施形態の半導体装置を例示する断面図である。図９（ｂ）は、第４の実施形態の半導体装置の一部を例示する平面図である。
【図１０】第５の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、第５の実施形態の半導体装置の一部の上面図であり、図１１（ｂ）は、側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１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２は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。
図３は、図１のＡＡ線における矢視断面図の例である。
図４は、本実施形態の半導体装置の特性を例示するグラフである。
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、第１金属板１０と、第２金属板２０と、半導体ユニット３０と、を備える。第１金属板１０は、第１面１０ａと、第２面１０ｂと、を有する。第２金属板２０は、第１面２０ａと、第２面２０ｂと、を有する。
【０００９】
以下の説明では、次の座標を用いることがある。第１金属板１０の一方の面である第１面１０ａに平行な座標軸をＸ軸およびＹ軸とする。そして、Ｘ軸およびＹ軸に直交する座標軸をＺ軸とする。
【００１０】
第２金属板２０は、一方の面である第１面２０ａが第１金属板１０の第１面１０ａにほぼ平行に対向するように配置されている。つまり、第１面１０ａ，２０ａは、ほぼ平行に配置されている。
【００１１】
第１金属板１０は、ＸＹ平面に平行な第１面１０ａを有するほぼ方形の平板である。第１金属板１０は、Ｚ軸方向の厚さを有する。
【００１２】
第２金属板２０は、ＸＹ平面に平行な第１面２０ａを有するほぼ方形の平板である。第２金属板２０は、Ｚ軸方向の厚さを有する。第２金属板２０は、第１金属板１０とほぼ同一の平板である。
【００１３】
第１金属板１０および第２金属板２０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。たとえば、第１金属板１０および第２金属板２０は、銅（Ｃｕ）または銅合金を含む。第１金属板１０および第２金属板２０は、半導体装置１の２つの電極として機能する。
【００１４】
第１金属板１０の第２面１０ｂおよび第２金属板２０の第２面２０ｂは、ほぼ平行な平面であり、たとえばこれらの面にヒートシンク等を取り付けて、半導体装置１の放熱性能を向上させることができる。
【００１５】
半導体ユニット３０は、第１金属板１０と第２金属板２０との間に１つ以上設けられている。２つ以上の半導体ユニット３０が設けられている場合には、各半導体ユニット３０は、第１接続部材５１を介して第１金属板１０に電気的に接続され、第２接続部材５２を介して第２金属板２０に電気的に接続されている。各半導体ユニット３０は、並列に接続されている。
【００１６】
第１金属板１０および第２金属板２０の側面には、ケース６０が付設されている。第１金属板１０、第１接続部材５１、半導体ユニット３０、第２接続部材５２、および第２金属板２０は、ケース６０によって囲繞されている。ケース６０は、半導体装置１の外部からの異物等の侵入を防止する。
【００１７】
図２に示すように、半導体ユニット３０は、第１金属部材３１と、第２金属部材３２と、第１接合部材３３と、第２接合部材３４と、絶縁部材３５と、半導体素子４０と、を含む。第１金属部材３１、第１接合部材３３、半導体素子４０、第２接合部材３４、および第２金属部材３２は、この順でＺ軸方向に積層されている。第１金属部材３１の一部、第２金属部材３２の一部、第１接合部材３３、第２接合部材３４、および半導体素子４０は、絶縁部材３５によって覆われている。
【００１８】
半導体ユニット３０は、第１端子３１ａと、第２端子３２ａと、を含む。第１端子３１ａは、絶縁部材３５によって覆われていない第１金属部材３１の一部である。第２端子３２ａは、絶縁部材３５によって覆われていない第２金属部材３２の一部である。
【００１９】
半導体ユニット３０は、ＸＹ平面、ＸＺ平面およびＹＺ平面にほぼ平行な面を含むほぼ直方体形状を有する。第１端子３１ａは、半導体ユニット３０のＸＹ平面に平行な露出面である。第１端子３１ａは、第１金属部材３１の面であって、第１金属板１０の第１面１０ａに対向して設けられている。
【００２０】
第２端子３２ａは、半導体ユニット３０のＸＹ平面に平行な露出面であり、第１端子３１ａが形成された面に対向する露出面である。第２端子３２ａは、第２金属部材３２の面であって、第２金属板２０の第１面２０ａに対向して設けられている。
【００２１】
第２金属部材３２は、部分３２ｂ，３２ｃを含む。部分３２ｂは、ほぼ方形の板状の部材であり、部分３２ｃは、部分３２ｂから半導体素子４０の側に突出する凸部である。部分３２ｃの半導体素子４０の側の面は平坦であり、半導体素子４０が接続される。
【００２２】
半導体素子４０は、第１主面４９ａと第２主面４９ｂとを含む。第１主面４９ａは、第１金属部材３１に向かう面である。半導体素子４０は、第１主面４９ａで第１接合部材３３を介して第１金属部材３１に電気的に接続される。第２主面４９ａは、第１主面４９ａの反対側の面である。半導体素子４０は、第２主面４９ａで第２接合部材３４を介して第２金属部材３２に電気的に接続される。たとえば、第１主面４９ａおよび第２主面４９ａそれぞれには、金属材料等によって電極が形成されており、半導体素子４０の電極は、第１接合部材３３および第２接合部材３４と電気的に接続される。
【００２３】
半導体素子４０は、破線で示されるアクティブ領域４０ａを含む。たとえば、アクティブ領域４０ａは、半導体素子４０のＸＹ平面視で中央部から外周に向かって広がっている。半導体素子４０は、たとえばＦＲＤ（Fast Recovery Diode）である。半導体素子４０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のような制御端子を有するスイッチング素子等であってもよい。
【００２４】
アクティブ領域４０ａは、半導体素子４０の導通時に電流が流れる領域である。ここで、半導体素子４０が導通するとは、順方向の電圧が印加された場合に、印加された端子間に電流が流れる状態を指す。たとえば、ＦＲＤ等のダイオードの場合には、アノードにカソードの電位よりも高い電位を与えた場合に、アノードとカソードとの間に電流が流れる状態である。ＩＧＢＴ等のｎ型の三端子素子の場合には、ゲートにエミッタよりも高電位を加え、コレクタにエミッタよりも高い電位を与えたときにコレクタとエミッタとの間に電流が流れる状態である。たとえば、アノードやコレクタは、第１主面４９ａに設けられており、カソードやエミッタは、第２主面４９ａに設けられている。
【００２５】
第１主面４９ａの電極と第２主面４９ａの電極との間に逆方向の電圧が印加された場合には、半導体素子４０は遮断（または逆阻止）される。半導体素子４０の遮断時には、導通時に比べて十分小さい電流（漏れ電流）が流れる。
【００２６】
アクティブ領域４０ａには、半導体素子４０がＦＲＤの場合には、ＦＲＤの素子、つまりダイオードが形成されている。半導体素子４０がＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴの場合には、たとえば単位セルが配列されている。
【００２７】
アクティブ領域４０ａの周囲には、ガードリング構造等を含む領域が設けられている。この領域には、導通時にも電流がほとんど流れない。
【００２８】
図３に示すように、部分３２ｃは、半導体素子４０のＸＹ平面視形状に応じて形成されている。部分３２ｃは、半導体素子４０の側に突出するように設けられている。
【００２９】
部分３２ｃの半導体素子４０への接続面３２ｓのＸＹ平面視における面積は、半導体素子４０のアクティブ領域４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きく設定されている。アクティブ領域４０ａでは、半導体素子４０の導通時に電流が流れることによってジュール熱が発生する。部分３２ｃは、半導体素子４０に電気的に接続されるとともに、熱的にも接続される。部分３２ｃの接続面３２ｓのＸＹ平面視における面積が、アクティブ領域４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きいことによって、アクティブ領域４０ａで発生したジュール熱が部分３２ｃとの接続部で横方向に広がるので、熱抵抗が低減されて放熱性能が向上する。したがって、本実施形態の半導体装置１は、大電流を低発熱で制御することができる。
【００３０】
この例では、部分３２ｂに２つの部分３２ｃが設けられている。つまり、１つの半導体ユニット３０は、少なくとも２つの半導体素子４０を含むことができる。部分３２ｂに設けられる部分３２ｃの数は、２つに限らず、１つでもよいし、２つよりも多くてもよい。
【００３１】
第１金属部材３１は、ほぼ方形の板材であり、ＸＹ平面にほぼ平行な面で第１接合部材３３を介して半導体素子４０に電気的に接続される。第１金属部材３１の半導体素子４０と接続される接続面３１ｓの面積は、第２金属部材３２の部分３２ｂの面積とほぼ等しく、アクティブ領域４０ａの面積よりも十分に大きい。したがって、アクティブ領域４０ａにおいて発生したジュール熱は、第１金属部材３１との接続部分で横方向に広がることができ、熱抵抗が低減される。
【００３２】
第１接合部材３３および第２接合部材３４は、たとえばハンダであり、十分大きい熱伝導率を有する。
【００３３】
第１金属部材３１と第２金属部材３２との間に接続される半導体素子は、１つに限らない。同一の第１金属部材３１と第２金属部材３２との間に２つ以上の半導体素子が接続される場合には、同一の半導体素子を配置してもよいし、異なる半導体素子を配置してもよい。異なる半導体素子を配置する場合には、たとえば、ＩＧＢＴとＦＲＤとを逆並列に接続してもよい。
【００３４】
絶縁部材３５は、積層された第１金属部材３１、第１接合部材３３、半導体素子４０、第２接合部材３４、および第２金属部材３２を、この順に積層し、直方体形状に封止している。絶縁部材３５は、たとえばエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂である。第１金属部材３１、第１接合部材３３、半導体素子４０、第２接合部材３４、および第２金属部材３２の積層体は、たとえば真空状態の樹脂成型用金型内に配置される。絶縁部材３５は、積層体が配置された樹脂成型用金型に封止樹脂を注入し、封入樹脂を固化させて形成される。これによって、積層体の周囲に気泡を残さずに封止することができる。
【００３５】
図１に戻って説明を続ける。半導体ユニット３０は、第１接続部材５１を介して、第１金属部材３１（第１端子３１ａ）を第１金属板１０の第１面１０ａに電気的に接続される。半導体ユニット３０は、第２接続部材５２を介して、第２金属部材３２（第２端子３２ａ）を第２金属板２０の第１面２０ａに電気的に接続される。
【００３６】
複数の半導体ユニット３０を接続するには、それぞれの第１端子３１ａが露出する方向および第２端子３２ａが露出する方向を一致させて、第１金属板１０と第２金属板２０の間に配置する。具体的には、たとえば、複数の半導体ユニット３０のそれぞれの第１端子３１ａをＺ軸の正方向に向けるように配置し、それぞれの第２端子３２ａをＺ軸の負方向に向けるように配置する。
【００３７】
このように半導体ユニット３０を配置することによって、各半導体ユニット３０の第１端子３１ａ同士は第１金属板１０によって電気的に接続される。各半導体ユニット３０の第２端子３２ａ同士は、第２金属板２０によって電気的に接続される。なお、半導体素子４０が制御端子を含む場合については、たとえば樹脂封止前にボンディングワイヤによって電気的に接続されたゲート配線をゲート配線引出用の金属板に接続することによって互いに電気的に接続される。
【００３８】
第１金属部材３１および第２金属部材３２は、ヒートシンクとしても機能する。
図４は、本実施形態の半導体装置の特性を例示するグラフである。
図４に示すように、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さが厚くなるにつれて半導体素子４０の最高温度は低下する。そして、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さがそれぞれ３ｍｍ以上になると、半導体素子４０の最高温度はほぼ一定となる。言い換えると、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さがそれぞれ３ｍｍ以上であれば、第１金属部材３１および第２金属部材３２はヒートシンクとして機能し、半導体素子４０の発熱を外部に放出することができる。一方、第１金属部材３１および第２金属部材３２の厚さが３ｍｍよりも薄くなると、熱の放散が抑制され、半導体素子４０の温度が上昇する。したがって、第１金属部材３１および第２金属部材３２は、たとえばそれぞれの厚さが４ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３９】
本実施形態の半導体装置１の製造方法について説明する。
本実施形態の半導体装置１では、まず、半導体ユニット３０を組み立てる。組み立てられた半導体ユニット３０は、半導体ユニット３０に第１金属板１０および第２金属板２０を電気的に接続する。その後、この組立体に分割されたケース６０を取り付ける。
【００４０】
半導体ユニット３０の組み立てでは、たとえば第１金属部材３１に第１接合部材３３を介して半導体素子４０を電気的に接続する。このとき、半導体素子４０の一方の電極が第１金属部材３１に接続される。
【００４１】
その後、第１金属部材３１、第１接合部材３３、半導体素子４０、第２接合部材３４および第２金属部材３２を含む積層体は、樹脂封入金型によって樹脂成形される（絶縁部材３５）。
【００４２】
組み立てられた半導体ユニット３０は、第２金属板２０の第１面２０ａに第２接続部材５２を介して、第２端子３２ａで電気的に接続される。その後、第１金属板１０の第１面１０ａに第１接続部材５１を介して、電気的に接続される。半導体ユニット３０には、先に第１金属板１０を接続して、その後第２金属板２０を接続してもかまわないし、半導体ユニット３０に、第１金属板１０および第２金属板２０を同時に接続してもよい。
【００４３】
上述によって形成された組立体は、たとえば２つの部分に分割されたケース６０によって囲繞される。分割されたケース６０は、たとえば接着剤等によって接続される。
【００４４】
本実施形態の半導体装置１の作用および効果について、比較例の半導体装置と比較しつつ説明する。
図５は、比較例の半導体装置の一部を例示する断面図である。
図５では、半導体素子４０のアクティブ領域４０ａは破線で示されている。図５に示すように、比較例の半導体装置では、半導体ユニット１３０は、第１金属部材１３１と、第２金属部材１３２と、を含む。第２金属部材１３２は、部分１３２ｂ，１３２ｃを含む。部分１３２ｃのＸＹ平面視における面積は、アクティブ領域４０ａのＸＹ平面視における面積よりも小さい。
【００４５】
そのためアクティブ領域４０ａにおいて発生したジュール熱は、より面積の小さい経路を通って放熱することとなるので、熱抵抗が大きくなり、半導体ユニット１３０の放熱性能は低下する。
【００４６】
これに対して、本実施形態の半導体装置１では、半導体ユニット３０の第１金属部材３１のＸＹ平面視における面積は、アクティブ領域４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きい。そして、第２金属部材３２の部分３２ｃのＸＹ平面視における面積は、アクティブ領域４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きい。したがって、アクティブ領域４０ａで発生したジュール熱は、より面積の広い金属部材の方に広がるように放出される。そのため、熱抵抗が低下し、半導体ユニット３０の放熱性能は向上する。
【００４７】
また、本実施形態の半導体装置１では、半導体素子４０や第１接合部材３３、第２接合部材３４の周囲を絶縁部材３５によって、空気等の気体を排出するように封止している。そのため、電力集中等によって半導体素子４０や第１接合部材３３、第２接合部材３４が高温状態になった場合であっても、膨張する気体が周囲に存在しないので、気体の膨張によって半導体装置１を破裂させるような急激な体積膨張を抑制することができる。つまり、本実施形態の半導体装置１では、簡素な構造で防爆構造を実現することができる。
【００４８】
本実施形態の半導体装置１では、複数の半導体ユニット３０を第１金属板１０および第２金属板２０の間に配置してハンダ等の第１、第２接続部材５１，５２によって容易に電気的接続および熱的接続される。ハンダ等の第１、第２接続部材５１，５２を用いて相互の接続をとることによって、半導体ユニット３０の配置時の位置設定が容易になる。また、ハンダ等の第１、第２接続部材５１，５２を用いることによって、加圧することなく、各半導体ユニット３０の熱抵抗および電気抵抗を一様にすることができる。
【００４９】
（変形例）
図６（ａ）および図６（ｂ）は、本変形例の半導体装置の一部を例示する断面図である。
本変形例では、半導体ユニット２３０ｖ，２３０ｈの構成が上述の実施形態の場合と相違する。他の点では、上述と同一であり、同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５０】
図６（ａ）に示すように、半導体ユニット２３０ｖは、第１金属部材２３１ｖと、第２金属部材２３２ｖと、半導体素子４０と、絶縁部材２３５ｖと、を有する。この例では、半導体素子４０は、横方向（Ｘ軸方向）に並べて配置された第１金属部材２３１ｖと第２金属部材２３２ｖとの間に設けられている。絶縁部材２３５ｖの一部は、半導体ユニット２３０ｖの上面および下面に延在し、半導体素子４０を封入する。絶縁部材２３５ｖは、横方向に突出した凸面２３５ｖａを有する。そして、第１金属部材２３１ｖの側面および第２金属部材２３２ｖの側面が、半導体ユニット２３０ｖの下面および上面にそれぞれ露出する。第１金属部材２３１ｖの側面が端子２３１ｖａであり、第２金属部材２３２ｖの側面が端子２３２ｖａである。半導体ユニット２３０ｖは、第１端子２３１ｖａによって第１金属板１０に電気的に接続され、第２端子２３２ｖａによって第２金属板２０に電気的に接続される。
【００５１】
このように、半導体ユニット２３０ｖは、第１金属板の第１面および第２金属板の第１面が延在する方向（ＸＹ平面に平行な方向）と交差する向きに配置してもよい。これにより、第１端子２３１ａおよび第２端子２３２ａの沿面距離を第１の実施形態の半導体ユニット３０の場合よりも容易に長くすることができる。また、絶縁部材２３５が凸面２３５ａを有することによって、第１端子２３１ａおよび第２端子２３２ａの間の沿面距離をさらに延長することができる。
【００５２】
上述の変形例では、半導体ユニット２３０ｖは、第１面の延在する方向と交差する向きに配置されているが、第１の実施形態の場合と同様に、半導体ユニット２３０ｈを第１面の延在する方向と同じ向きに配置するようにしてもよい。図６（ｂ）に示すように、半導体ユニット２３０ｈは、第１金属部材２３１ｈと、第２金属部材２３２ｈと、半導体素子４０と、絶縁部材２３５ｈと、を有する。第１金属部材２３１ｈおよび第２金属部材２３２ｈは、Ｘ方向およびＹ方向に延伸しており、第１端子２３１ｈａおよび第２端子２３２ｈａは、ＸＹ平面にほぼ平行して設けられている。絶縁部材２３５ｈは、凸面２３５ｈａを有する。
【００５３】
これらの変形例のように凸面２３５ｖａ，２３５ｈａを形成する部分には、封止樹脂の量が多くなる。そこで、半導体素子４０の面に対向する位置に凸面２３５ｖａ，２３５ｈａを設けることによって、樹脂封止時の応力を緩和し、半導体素子の特性劣化等を防止することができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
図７は、本実施形態に係る半導体装置の一部を例示する断面図である。
本実施形態の半導体装置は、半導体ユニット３３０を備える。本実施形態では、上述した他の実施形態や変形例の場合と、半導体ユニット３３０の構成要素が相違する。他の点では、上述の他の実施形態等の場合と同一なので、同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５５】
図７に示すように、半導体ユニット３３０は、第１接合部材３３３と、第２接合部材３３４と、を含む。第１接合部材３３３は、第１金属部材３１と半導体素子４０との間に設けられており、第１金属部材３１と半導体素子４０と電気的かつ熱的に接続している。第１金属部材３１の半導体素子４０との接続面３１ｓの面積は、半導体素子４０のアクティブ領域４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きく設定されている。そして、第１接合部材の第１金属部材３１との接続面は、第１金属部材３１の接続面３１ｓの全面を覆っている。
【００５６】
第２接合部材３３４は、第２金属部材３２と半導体素子４０との間に設けられており、第２金属部材３２と半導体素子４０とを電気的かつ熱的に接続している。第２金属部材３２の半導体素子４０との接続面３２ｓの面積は、半導体素子４０のアクティブ領域４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きく設定されている、そして、第２接合部材３３４の第２金属部材３２との接続面は、第２金属部材３２の接続面３２ｓの全面を覆っている。
【００５７】
したがって、第１接合部材３３３および第２接合部材３３４は、半導体素子４０のアクティブ領域４０ａの面積よりも大きい面積で第１金属部材３１および第２金属部材３２に熱的に接続される。アクティブ領域４０ａで発生したジュール熱は、アクティブ領域４０ａの周縁では、外側に広がって伝導することができるので、半導体ユニット３３０の熱抵抗が低減され、放熱性能が向上する。
【００５８】
第１接合部材３３３および第２接合部材３３４は、たとえばいずれもハンダである。ハンダである第１接合部材３３３および第２接合部材３３４を用いて、半導体素子４０の一方の電極と第１金属部材３１とを接続し、半導体素子４０の他方の電極と第２金属部材３２とを接続する場合に、ハンダの量を適切に設定することによって、ハンダの溶融時にハンダが濡れて、第１金属部材３１および第２金属部材３２の接続面全体を覆うようにすることができる。
【００５９】
（第３の実施形態）
図８は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する断面図である。
本実施形態では、第１金属部材４３１、第２金属部材４３２、第１接合部材４３３および第２接合部材４３４が上述の他の実施形態の場合と相違する。
【００６０】
図８に示すように、本実施形態の半導体装置では、半導体ユニット４３０の第１金属部材４３１の半導体素子４０との接続面４３１ｓの角部４３１ｄが面取りされている。また、半導体ユニット４３０の第２金属部材４３２の半導体素子４０との接続面４３２ｓの角部４３２ｄが面取りされている。面取りされた第１金属部材４３１、第２金属部材４３２のそれぞれの角部４３１ｄ，４３２ｄは、たとえば曲面状に加工されている。角部４３１ｄ，４３２ｄは、直線状に面取りされていてもよい。
【００６１】
第１接合部材４３３は、第１金属部材４３１の角部４３１ｄを含む接続面４３１ｓを覆って設けられている。第２接合部材４３４は、第２金属部材４３２の角部４３２ｄを含む接続面４３２ｓを覆って設けられている。第１接合部材４３３および第２接合部材４３４は、第２の実施形態の場合と同様にたとえばハンダである。したがって、ハンダ溶融時にハンダである第１接合部材４３３および第２接合部材４３４が濡れることによって、第１接合部材４３３および第２接合部材４３４は、角部４３１ｄ，４３２ｄを含んで接続面４３１ｓ，４３２ｓの全面を覆う。
【００６２】
本実施形態の半導体装置の半導体ユニット４３０では、第１金属部材４３１および第２金属部材４３２の半導体素子４０との接続面４３１ｓ，４３２ｓの角部４３１ｄ，４３２ｄが面取りされている。そのため、たとえばハンダである第１接合部材４３３および第２接合部材４３４が第１金属部材４３１および第２金属部材４３２の角部４３１ｄ，４３２ｄ含む接続面４３１ｓ，４３２ｓの全体を覆うようになり、熱抵抗を効果的に低減することができる。面取りされた角部４３１ｄ，４３２ｄが設けられていることによって、第１接合部材４３３の第１金属部材４３１側の接続面積および第２接合部材４３４の第２金属部材４３２側の接続面積は、面取りされていない場合よりも大きくなるので、熱抵抗が低減され、放熱性能が向上する。
【００６３】
（第４の実施形態）
図９（ａ）は、本実施形態の半導体装置を例示する断面図である。図９（ｂ）は、本実施形態の半導体装置の一部を例示する平面図である。
本実施形態では、第２接合部材はアクティブ領域の外周よりも外側で半導体素子に接続される点で上述の他の実施形態の場合と相違する。この半導体素子では、第２接合部材がガードリング形成領域に接しないように、アクティブ領域とガードリング形成領域との間に非通電領域が設けられている。
【００６４】
図９（ａ）に示すように、半導体ユニット５３０は、第１金属部材５３１と、第２金属部材５３２と、第１接合部材５３３と、第２接合部材５３４と、絶縁部材５３５と、半導体素子５４０と、を含む。第１金属部材５３１、第１接合部材５３３、半導体素子５４０、第２接合部材５３４、および第２金属部材５３２は、この順でＺ軸方向に積層されている。第１金属部材５３１の一部、第２金属部材５３２の一部、第１接合部材５３３、第２接合部材５３４、および半導体素子５４０は、絶縁部材５３５によって覆われている。
【００６５】
半導体ユニット５３０は、第１端子５３１ａと、第２端子５３２ａと、を含む。第１端子５３１ａは、絶縁部材５３５によって覆われていない第１金属部材５３１の一部である。第２端子５３２ａは、絶縁部材５３５によって覆われていない第２金属部材５３２の一部である。
【００６６】
第２金属部材５３２は、部分５３２ｂ，５３２ｃを含む。部分５３２ｂは、ほぼ方形の板状の部材であり、部分５３２ｃは、部分５３２ｂから半導体素子５４０の側に突出する凸部である。部分５３２ｃの半導体素子５４０の側の面は平坦であり、半導体素子５４０が接続される。
【００６７】
半導体素子５４０は、アクティブ領域５４０ａと、ガードリング形成領域５４０ｂと、非通電領域５４０ｃと、を含む。アクティブ領域５４０ａおよびガードリング形成領域５４０ｂは、上述の他の実施形態の場合と同じである。非通電領域５４０ｃは、アクティブ領域５４０ａとガードリング形成領域５４０ｂとの間に設けられている。ＸＹ平面視においては、図９（ｂ）に示すように、非通電領域５４０ｃは、アクティブ領域５４０ａの周囲を取り囲んでいる。ガードリング形成領域５４０ｂは、非通電領域５４０ｃの外周を取り囲んでいる。
【００６８】
半導体素子５４０は、第１金属部材５３１に接続される側である第１主面５４９ａと、第２金属部材５３２に接続される側である第２主面５４９ｂと、を含む。ガードリング形成領域５４０ｂは、ガードリング５４０ｂ１を含んでおり、ガードリング５４０ｂ１は、第２主面５４９ｂ側に形成されている。
【００６９】
半導体素子５４０の導通時には、アクティブ領域５４０ａには、Ｚ軸方向に沿う電流が流れるが、ガードリング５４０ｂ１を含むガードリング形成領域５４０ｂおよび非通電領域５４０ｃには、電流はほとんど流れない。したがって、半導体素子５４０に逆電圧が印加された場合、つまり、第１主面５４９ａに高電位が印加された場合であっても、非通電領域５４０ｃの第２主面５４９ｂの側は低電位が維持される。
【００７０】
第２金属部材５３２の部分５３２ｃは、第２接合部材５３４を介して、半導体素子５４０に第２主面５４９ｂ側で電気的に接続される。部分５３２ｃの接続面５３２ｓの面積は、アクティブ領域５４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きい。
【００７１】
第２接合部材５３４は、たとえばハンダであり、第２金属部材５３２の接続面５３２ｓの全面に濡れて広がる。また、ハンダである第２接合部材５３４の量を適切にコントロールにすることによって、第２接合部材５３４の接続面の外周は、アクティブ領域５４０ａと非通電領域５４０ｃとの境界から外側で、かつ、非通電領域５４０ｃとガードリング形成領域５４０ｂとの境界よりも内側にすることができる。つまり、第２金属部材５３２および第２接合部材５３４は、ガードリング形成領域５４０ｂと接触しない範囲に設けることができる。
【００７２】
なお、半導体素子５４０の第１主面５４９ａの側では、半導体素子５４０は、第１接合部材５３３を介して、第１金属部材５３１に電気的に接続されている。第１金属部材５３１の接続面５３１ｓの面積は、アクティブ領域５４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きい。たとえば、半導体素子５４０は、第１主面５４９ａの側の全面に電極が形成されており、第１接合部材５３３が接続されている。したがって、第１接合部材５３３の半導体素子５４０側の接続面積は、アクティブ領域５４０ａのＸＹ平面視における面積よりも大きい。
【００７３】
非通電領域５４０ｃは、アクティブ領域５４０ａと第２接合部材５３４との接続面積を減少させるので、好ましくは、高熱伝導性の材料により形成される。非通電領域５４０ｃは、たとえば高抵抗の半導体層で形成される。非通電領域５４０ｃは、高抵抗半導体層のほか、酸化物や窒化物等を含む絶縁層であってもよい。
【００７４】
本実施形態では、半導体ユニット５３０が、非通電領域５４０ｃを有する半導体素子５４０を含むので、第２金属部材５３２および第２接合部材５３４が、ガードリング形成領域５４０ｂおよびガードリング５４０ｂ１に接触することを防止することができる。非通電領域５４０ｃのＸＹ平面視におけるガードリング形成領域５４０ｂまでの距離を適切に設定することによって、第２金属部材５３２および第２接合部材５３４の外周からガードリング形成領域５４０ｂまでの距離を適切に保つことができ、確実に絶縁を図ることができる。
【００７５】
図１０は、第５の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図１１（ａ）は半導体装置の一部の上面図であり、図１０（ｂ）は側面図である。
【００７６】
図１０〜図１１（ｂ）に示すように、半導体装置６０１は、金属部材６１０と、金属部材６１０上に搭載された複数の半導体ユニット６３０と、主回路配線６８０と、複数の半導体ユニット６３０のそれぞれと主回路配線６８０とを接続する複数のバスバー６２０と、絶縁樹脂製のケース６６０とを有する。
【００７７】
金属部材６１０は、板状部６１０ｂと、複数の凸部（または柱状部）６１０ｃとを有する。複数の凸部６１０ｃは、板状部６１０ｂの一方の面上に、板状部６１０ｂと一体に設けられている。凸部６１０ｃの上に半導体ユニット６３０が搭載されている。金属部材６１０は、上述の他の実施形態の場合の第１金属板１０に対応する。
【００７８】
ケース６６０の下端部は金属部材６１０の板状部６１０ｂに接着され、それら金属部材６１０とケース６６０の内側に密閉空間が形成されている。その密閉空間のうち、複数の半導体ユニット６３０が設けられている領域以外の領域６７０に主回路配線６８０が配置されている。
【００７９】
半導体ユニット６３０は、前述した実施形態と同様、第１金属部材６３１と、第１金属部材６３１の上方に配置された第２金属部材６３２と、第１金属部材６３１と第２金属部材６３２との間に配置された半導体素子４０と、電気絶縁性の絶縁部材６３５と、を有する。
【００８０】
第２金属部材６３２は、２つの部分６３２ｂ，６３２ｃを含んでおり、部分６３２ｃは、板状の部分６３２ｂ上に設けられた凸部である。部分６３２ｃのＸＹ平面視の面積は、半導体素子４０のアクティブ領域４０ａのＸＹ平面視の面積よりも大きく設定されている（図２等参照）。そのため、上述の他の実施形態の場合と同様に、半導体素子４０の発熱経路が確保され、熱抵抗が低減される。
【００８１】
半導体ユニットにおける第１金属部材、第２金属部材および半導体素子とのそれぞれの接合のための接合部材の形態は、上述した実施形態の場合を適用することができる。
【００８２】
複数の半導体ユニット６３０の間に主回路配線６８０が配置されている。主回路配線６８０は、板状の金属配線であり、たとえば銅配線である。主回路配線６８０は、金属部材６１０上に形成された樹脂６９０中に設けられ、その樹脂６９０によって金属部材６１０上に保持されている。主回路配線６８０の一部は、主電極端子（たとえば、エミッタ端子やカソード端子）としてケース６６０の外部に突出している。
【００８３】
半導体ユニット６３０の第２金属部材６３２の板状の部分６３２ｂに、バスバー６２０が接合されている。バスバー６２０の両端部に金属足部６２０ａ，６２０ｂが設けられている。金属足部６２０ａ，６２０ｂは、たとえばバスバー６２０にろう付けされた銅である。バスバー６２０は、上述の他の実施形態の場合の第２金属板２０に対応する。
【００８４】
バスバー６２０の一端の金属足部６２０ａは、第２金属部材６３２の側面に接合またはネジ締結されている。または、金属足部６２０ａは、第２金属部材６３２の上面に接合またはネジ締結されてもよい。
【００８５】
バスバー６２０の他端の金属足部６２０ｂは、主回路配線６８０に接合またはネジ締結されている。樹脂６９０は、主回路配線６８０と金属足部６２０ｂとの接合部を覆って保護している。
【００８６】
バスバー６２０は、たとえば、銅、４２アロイ（ニッケルと鉄の合金）、ニッケルとクロムの合金などの導電性材料からなる。バスバー６２０は、たとえば、板状に形成され、または板状部材をジグザグに折り曲げた形状に形成されている。バスバー６２０をジグザグに折り曲げることは、電流が流れる方向に多くの屈曲部を設けることによって、バスバー６２０の長さを実質的に長くして、抵抗値を大きくすることを意味する。
【００８７】
バスバー６２０の電気抵抗は、主回路配線６８０の電気抵抗よりも高い。バスバー６２０において、電流が流れる方向に垂直な断面の断面積Ｓ［ｃｍ２］と、長さ（電流経路長）Ｌ［ｃｍ］は、バスバー６２０に求められる電気抵抗Ｒ［Ω］に対して、次の式で決定される。
Ｒ＝ρ０×Ｌ／Ｓ［Ω］（ρ０：体積抵抗率［Ωｃｍ］）
【００８８】
たとえば、バスバー６２０の材料として、主回路配線６８０よりも体積抵抗率が高い材料を用いることで、バスバー６２０の電気抵抗を主回路配線６８０の電気抵抗よりも高くしている。主回路配線６８０の材料は、電気抵抗を低く、かつ発熱を小さくするために、バスバー６２０よりも体積抵抗率が小さい材料が望ましい。たとえば、主回路配線６８０の材料は銅であり、バスバー６２０の材料は４２アロイ（ニッケルと鉄の合金）、またはニッケルとクロムの合金である。
【００８９】
１つの半導体ユニット６３０は、少なくとも１つのバスバー６２０によって、主回路配線６８０と電気的に接続されている。複数の半導体ユニット６３０は、複数のバスバー６２０を介して、金属部材６１０と主回路配線６８０との間に、電気的に並列接続されている。電流は、半導体ユニット６３０の縦方向（積層方向）、すなわちＺ軸方向に流れる。電流は、その半導体ユニット６３０およびバスバー６２０を通じて、金属部材６１０と主回路配線６８０との間を流れる。
【００９０】
半導体素子４０に短絡電流が流れ、そのときに発生するジュール熱によって、半導体素子４０が破壊され、半導体ユニット６３０内の圧力が上がると半導体ユニット６３０の破裂をまねく可能性がある。
【００９１】
そこで、図１０に示す実施形態によれば、ある程度電気抵抗値の高いバスバー６２０を半導体ユニット６３０に直列に接続することで、バスバー６２０と半導体素子４０とでエネルギー消費を分担し、半導体素子４０に発生するジュール熱を抑制できる。
【００９２】
通常動作（正常動作）時では各バスバー６２０に電流が分流するため、複数の半導体ユニット６３０に流れる電流の合計をＩtotalとすると、１つのバスバー６２０あたりに発生するジュール熱Ｑは、Ｑ＝Ｒ×（Ｉtotal／並列数）２［Ｊ］となる（Ｒはバスバー６２０の電気抵抗［Ω］）。
【００９３】
故障した半導体素子４０を含む半導体ユニット６３０には電流が流れ、正常な半導体ユニット６３０には電流が流れない。故障した半導体ユニット６３０に接続されたバスバー６２０に発生するジュール熱Ｑ’は、Ｑ’＝Ｒ×（Ｉtotal）２［Ｊ］となる。
【００９４】
故障時と比較して、通常動作時における半導体ユニット６３０に流れる電流値に対するロス発生効果は、Ｑ／Ｑ’＝（１／並列数）２となり、通常動作時は故障時よりもロス発生を低減することができる。
【００９５】
複数のバスバー６２０の並列接続効果によって、通常動作時は半導体ユニット６３０の効率を悪化させることなく、故障時には故障した半導体ユニット６３０に接続されたバスバー６２０がエネルギーを消費することで、半導体素子４０に発生するジュール熱を抑制し、半導体ユニット６３０の破裂を抑制することができる。
【００９６】
すなわち、故障時には、故障した半導体ユニット６３０と、その半導体ユニット６３０に直列に接続されたバスバー６２０のみに短絡電流が流れ、バスバー６２０に大きなジュール熱を発生させることができる。これにより、短絡電流が流れる半導体素子４０に発生するジュール熱が低減され、破壊を抑制できる。
【００９７】
金属部材６１０と主回路配線６８０との間には複数のバスバー６２０が並列接続されているため、通常運転時に各バスバー６２０に流れる電流値は、パワー半導体モジュールの出力電流を並列数で割った値となり、通常運転時のジュール熱は抑制することができる。
【００９８】
以上説明した実施形態によれば、安全性が高い大電流出力が可能な半導体装置を実現することができる。
【００９９】
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、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。
【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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【図１１】
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