(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面を有する放熱部材と、
前記第１面上に配置され、前記放熱部材と対向する表面部分を有する半導体装置とを備え、
前記放熱部材の前記第１面の一部面と前記半導体装置の前記表面部分の一部領域とが熱伝導性絶縁樹脂シートで接続され、
前記放熱部材の前記第１面は、前記一部面の外側に、前記一部面に連続し、前記一部面と同一平面となる平面部を有し、
前記半導体装置は、
半導体素子と、
前記半導体素子と電気的に接続され、前記半導体装置の外側に突出する端子部を含む金属配線部材と、
前記半導体装置の前記表面部分に露出する露出面を有するヒートスプレッダとを含み、
前記一部領域は、前記露出面を含み、
前記半導体装置の前記表面部分において、前記熱伝導性絶縁樹脂シートが接続された前記一部領域より外側に凹部が形成され、
前記凹部は、前記放熱部材の前記平面部と対向して設けられ、
前記一部領域より外側で前記凹部より内側の前記半導体装置の前記表面部分と前記放熱部材の前記平面部との間が離間し、かつ前記凹部の内側が露出され、
さらに前記凹部は、前記端子部より前記放熱部材側の領域に位置し、
前記凹部の深さは、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの厚みより浅い、半導体モジュール。
【請求項２】
前記半導体装置の前記表面部分は、前記一部領域より外側に位置し、前記一部領域より前記放熱部材から離れた段差部を含み、
平面視において、前記段差部は前記金属配線部材の一部と重なっており、
前記凹部は前記段差部に形成されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記半導体装置の前記表面部分には、前記一部領域より外側に位置し、前記熱伝導性絶縁樹脂シートの外周を囲む凸部が形成され、
前記凹部は前記凸部に形成されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１記載の半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体モジュールおよび電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱伝導性絶縁樹脂シートによって半導体装置を放熱部材に接続した半導体モジュールが知られている（たとえば、特開２００３−１５３５５４号公報参照）。このような半導体モジュールは、たとえば電力変換装置に用いられる。特開２００３−１５３５５４号公報では、放熱性に加えて接着性および絶縁性を有した熱伝導性絶縁樹脂シートによって半導体装置を放熱部材に固定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１５３５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような熱伝導性絶縁樹脂シートは、高い熱伝導性、絶縁性および接着性が求められる。そのため、たとえば無機物に熱硬化性樹脂を含浸した熱伝導性の樹脂組成物が熱伝導性絶縁樹脂シートとして用いられる。このような熱伝導性絶縁樹脂シートは、従来から半導体装置と放熱部材との接続部に用いられていたグリスや放熱シートと異なり、硬度が高く変形し難い。そのため、たとえば半導体装置において熱伝導性絶縁樹脂シートと接続される表面に、半導体装置をモールド樹脂でモールドした後金型から離型する際に形成されるエジェクタピン跡のような微小な傷や凹部が存在すると、熱伝導性絶縁樹脂シートと半導体装置との接続部における接続強度、放熱特性および絶縁特性が劣化する恐れがある。すなわち、上記のような傷や凹部に起因して、半導体モジュールの信頼性が低下する恐れがあった。【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、信頼性の高い半導体モジュールおよび当該半導体モジュールを用いた信頼性の高い電力変換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】
本開示に従った半導体モジュールは、放熱部材と、半導体装置と、熱伝導性絶縁樹脂シートとを備える。放熱部材は第１面を有する。半導体装置は、第１面上に配置される。半導体装置は、放熱部材と対向する表面部分を有する。熱伝導性絶縁樹脂シートは、放熱部材と半導体装置とを接続する。具体的には、熱伝導性絶縁樹脂シートは放熱部材の第１面の一部と半導体装置の表面部分の一部領域とを接続する。半導体装置は、半導体素子と、金属配線部材とを含む。金属配線部材は、半導体素子と電気的に接続される。金属配線部材は、半導体装置の外側に突出する端子部を含む。半導体装置の表面部分において、熱伝導性絶縁樹脂シートが接続された一部領域より外側に凹部が形成される。凹部は、端子部より放熱部材側の領域に位置する。【０００７】
本開示に従った電力変換装置は、主変換回路と、制御回路とを備える。主変換回路は、上記半導体モジュールを有する。主変換回路は、入力される電力を変換して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する。
【発明の効果】
【０００８】
上記によれば、半導体装置の表面部分において、熱伝導性絶縁樹脂シートが接続された一部領域より外側に凹部が形成されるので、信頼性の高い半導体モジュールおよび当該半導体モジュールを用いた信頼性の高い電力変換装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図４】実施の形態２に係る半導体モジュールの変形例を示す拡大部分断面模式図である。
【図５】実施の形態３に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図６】実施の形態４に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図７】実施の形態４に係る半導体モジュールの変形例１を示す拡大部分断面模式図である。
【図８】実施の形態４に係る半導体モジュールの変形例２を示す拡大部分断面模式図である。
【図９】実施の形態５に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【図１０】図９に示した半導体モジュールの拡大部分断面模式図である。
【図１１】実施の形態５に係る半導体モジュールの変形例を示す拡大部分断面模式図である。
【図１２】実施の形態６に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１１】
実施の形態１．
＜半導体モジュールの構成＞
図１は、実施の形態１に係る半導体モジュールの断面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。
【００１２】
図１および図２に示した半導体モジュール１００は、放熱部材７と、半導体装置２０と、熱伝導性絶縁樹脂シート６とを主に備える。放熱部材７は第１面７ａを有する。半導体装置２０は、第１面７ａ上に配置される。半導体装置２０は、放熱部材７と対向する表面部分２０ａを有する。熱伝導性絶縁樹脂シート６は、放熱部材７の第１面７ａの一部７ａａと半導体装置２０の表面部分２０ａの一部領域２０ａａとを接続する。半導体装置２０の表面部分２０ａにおいて、熱伝導性絶縁樹脂シート６が接続された一部領域２０ａａより外側に凹部８が形成される。
【００１３】
なお、本明細書においては、説明の便宜のため以下に説明する半導体モジュール１００における各部材の面について下記のように記載することがある。すなわち、放熱部材７のフィン部形成された側を放熱部材７の下側と記載し、第１面７ａ側を上側と記載し、第１面７ａを上面と記載することがある。熱伝導性絶縁樹脂シート６に関して、放熱部材７側の面を下面と記載し、半導体装置２０側の面を上面と記載することがある。半導体装置２０に関して、表面部分２０ａのうち熱伝導性絶縁樹脂シート６と接合される一部領域２０ａａと同一平面となっている面を下面と記載し、当該下面と反対側に位置する面を上面と記載することがある。また、半導体装置２０において上記下面と上記上面とを接続する面を側面と記載することがある。なお、放熱部材７を半導体装置２０の上面側または側面側に配置した場合であっても、上述した標記を用いる場合がある。
【００１４】
半導体装置２０は、半導体素子１と、ヒートスプレッダ３と、金属配線部材２ａ，２ｂとワイヤ２ｃと、モールド樹脂部５とを主に含む。半導体素子１はたとえば電力用半導体素子である。半導体素子１は接合部材４ａによりヒートスプレッダ３の上面に接続されている。ヒートスプレッダ３の平面形状はたとえば四角形状である。半導体素子１は接合部材４ｂにより金属配線部材２ａと接続されている。具体的には、接合部材４ｂは半導体素子１の上面に形成された図示しない電極と金属配線部材２ａとを接続する。また、半導体素子１はワイヤ２ｃを介して金属配線部材２ｂと接続される。
【００１５】
金属配線部材２ａ、２ｂの一部と半導体素子１とヒートスプレッダ３とを内部に保持して封止するように、モールド樹脂部５が形成されている。金属配線部材２ａは、半導体装置２０の外側に突出する端子部２ａａと、端子部２ａａに連なりモールド樹脂部５の内部に位置する接続部２ａｂとを含む。接続部２ａｂは、端子部２ａａの半導体素子１側の端部から半導体素子１上にまで延在する。金属配線部材２ｂも、半導体装置２０の外部に突出する端子部と、当該端子部に連なりモールド樹脂部５の内部に位置する接続部とを含む。金属配線部材２ａの端子部２ａａおよび金属配線部材２ｂの端子部は外部との接続部分となる。なお、端子部２ａａは、半導体素子１だけでなく、回路構成により、ヒートスプレッダ３に接続される場合もある。
【００１６】
ヒートスプレッダ３において半導体素子１側の上面と反対側の下面は、モールド樹脂部５の表面から露出している。つまりヒートスプレッダ３の下面は半導体装置２０の下面において露出している。ヒートスプレッダ３の下面と当該下面に隣接するモールド樹脂部５の表面の一部とは、半導体装置２０の表面部分２０ａの一部領域２０ａａを構成する。当該一部領域２０ａａは熱伝導性絶縁樹脂シート６の上面と接続されている。また、放熱部材７の上面である第１面７ａの一部７ａａは熱伝導性絶縁樹脂シート６の下面と接続されている。
【００１７】
半導体装置２０の下面において、熱伝導性絶縁樹脂シート６の外周より外側に凹部８が形成されている。凹部８はモールド樹脂部５の表面が凹んだ領域である。凹部８は、端子部２ａａおよび金属配線部材２ｂの接続部より放熱部材７側の領域に位置する。なお、半導体装置２０の放熱部材７と対向する表面部分２０ａとは、図２に示すように放熱部材７側から視認できる半導体装置２０の下面と側面の一部とを含む。
【００１８】
接合部材４ａ，４ｂの材料としては任意の材料を用いることができるが、たとえばはんだ、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属を用いることができる。金属配線部材２ａ，２ｂの材料としても、任意の材料を用いることができるが、たとえば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属またはこれらの金属を含む合金を用いることができる。ワイヤ２ｃの材料としては、任意の材料を用いることができるが、たとえば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属またはこれらの金属を含む合金を用いることができる。
【００１９】
半導体素子１としては、たとえば電圧駆動型のＭＯＳ−ＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor  field-effect  transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）、ダイオードなどを用いることができる。半導体素子１を構成する材料としては、シリコンの他に、窒化珪素（ＳｉＮ）、窒化ガリウム、炭化珪素といったワイドバンドギャップ半導体など、いわゆる次世代半導体を用いることができる。半導体素子１は半導体モジュール１００における主たる発熱源となる。
【００２０】
放熱部材７は、半導体素子１が動作時に発する熱を外部へ拡散する。放熱部材７はいわゆるヒートシンクである。放熱部材７を構成する材料としては、たとえばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）などの金属を用いることができる。放熱部材７を構成する材料としては非絶縁性の材料を用いることができる。放熱部材７では、図１に示すように放熱性を向上するため、放熱部材７の下側に複数のフィンを設けている。また、放熱部材７の内部に冷却用の媒体を流通させる管路を形成してもよい。管路は放熱部材７の外部に配置された図示しないラジエータなどの熱交換部と接続されていてもよい。管路と当該熱交換部とは媒体を循環させることができるような回路を形成していることが好ましい。当該管路に媒体を流通させることで、放熱部材７を強制的に冷却してもよい。媒体としてはたとえば水などを用いることができる。
【００２１】
熱伝導性絶縁樹脂シート６としては、たとえばセラミックに熱硬化性の樹脂を含浸して製作されたシート状の部材を用いることができる。熱伝導性絶縁樹脂シート６内には空気(ボイド)が含まれている場合がある。このようなボイドが熱伝導性絶縁樹脂シート６の内部に存在すると、当該ボイドはパッシェンの法則に従い部分放電の起点となる。この結果、熱伝導性絶縁樹脂シート６の絶縁性が低下する恐れがある。
【００２２】
熱伝導性絶縁樹脂シート６でのボイドの残存による絶縁性の低下を防ぎ、かつ、半導体装置２０と放熱部材７とをより強固に接合するため、熱伝導性絶縁樹脂シート６には接合時に圧力と熱とが加えられる。具体的には、半導体装置２０と熱伝導性絶縁樹脂シート６と放熱部材７とを積層した状態で、半導体装置２０が破壊されない範囲の圧力を積層方向に加えながら、熱伝導性絶縁樹脂シート６を加熱する。このようにして熱伝導性絶縁樹脂シート６により半導体装置２０と放熱部材７とが接合される。上記のような加圧・加熱による接合処理時には、熱伝導性絶縁樹脂シート６内の樹脂（たとえば熱硬化性樹脂）は一時的に粘度が下がる。この結果、熱伝導性絶縁樹脂シート６内に含まれる空気と当該樹脂とが共に流動する。
【００２３】
この時、熱伝導性絶縁樹脂シート６内で流動している空気と樹脂とは、半導体装置２０と放熱部材７との間の隙間が一定であれば一様に流動する。しかし、熱伝導性絶縁樹脂シート６と接触する半導体装置２０の一部領域２０ａａに凹部が存在すると、当該凹部が存在する領域のみ、熱伝導性絶縁樹脂シート６が位置する空間の隙間が広くなる。この結果、熱伝導性絶縁樹脂シート６中において当該凹部に面する領域に空気と樹脂とが集中しやすくなる。特に、空気が集中することによって、当該領域の絶縁特性が著しく低下する恐れがある。また、当該凹部の深さが熱伝導性絶縁樹脂シート６の厚みよりも著しく深い場合、当該凹部の内部に樹脂が充填されず、当該凹部近傍での熱伝導性絶縁樹脂シート６の接着強度が低下する。このような凹部は、たとえば図１および図２に示した凹部８のように、半導体装置２０の成型後に成形金型から半導体装置２０を押し出すエジェクタピンと呼ばれるピンによって半導体装置２０の表面が押圧されることにより形成される。また、当該凹部には、半導体装置２０の表面に形成される傷またはモールド樹脂部５のヒケが発生した部分なども該当する。
【００２４】
図１および図２に示した半導体モジュール１００では、半導体装置２０において金属配線部材２ａ，２ｂより下側、つまり金属配線部材２ａ，２ｂより放熱部材７側に上記凹部８が形成されている。また、当該凹部８は、半導体装置２０の表面部分２０ａにおいて熱伝導性絶縁樹脂シート６との接合領域より外側に配置されている。そのため、上記のように熱伝導性絶縁樹脂シート６の加圧・加熱による接合処理時に、熱伝導性絶縁樹脂シート６内で流動する樹脂と空気とが凹部８近傍に集中するといった現象の発生を防止できる。このため、熱伝導性絶縁樹脂シート６における部分放電開始電圧を向上させることができる。この結果、半導体モジュール１００における絶縁信頼性を向上させることができる。また、同時に熱伝導性絶縁樹脂シート６内の樹脂の分布が均一になることで、熱伝導性絶縁樹脂シート６の接着性も向上させることができる。この結果、半導体モジュール１００の信頼性を向上させることができる。
【００２５】
上記凹部８がエジェクタピンによる圧痕であれば、半導体装置２０のモールド成形後に、成形金型から半導体装置２０を取り出す際の離型性を考慮し、図２に示すように半導体装置２０の下面の外周部に凹部８を設けることが好ましい。凹部８は熱伝導性絶縁樹脂シート６の端部との間の距離Ｌ１が十分大きくなる位置に配置されることが好ましい。このようにすれば、半導体装置２０のモールド成形時の離型性と、半導体装置２０を用いた半導体モジュール１００における絶縁性および接着性とを両立することが可能である。
【００２６】
なお、上記凹部８は熱伝導性絶縁樹脂シート６中の樹脂および空気（ボイド）の影響を受けない範囲に配置することが好ましい。たとえば、上記距離Ｌ１を、熱伝導性絶縁樹脂シート６の厚みＴ１より大きくすることが好ましい。
【００２７】
＜作用効果＞
本開示に従った半導体モジュール１００は、放熱部材７と、半導体装置２０と、熱伝導性絶縁樹脂シート６とを主に備える。放熱部材７は第１面７ａを有する。半導体装置２０は、第１面７ａ上に配置される。半導体装置２０は、放熱部材７と対向する表面部分２０ａを有する。熱伝導性絶縁樹脂シート６は、放熱部材７と半導体装置２０とを接続する。具体的には、熱伝導性絶縁樹脂シート６は放熱部材７の第１面７ａの一部７ａａと半導体装置２０の表面部分２０ａの一部領域２０ａａとを接続する。半導体装置２０は、半導体素子１と、金属配線部材２ａとを含む。金属配線部材２ａは、半導体素子１と電気的に接続される。金属配線部材２ａは、半導体装置２０の外側に突出する端子部２ａａを含む。半導体装置２０の表面部分２０ａにおいて、熱伝導性絶縁樹脂シート６が接続された一部領域２０ａａより外側に凹部８が形成される。凹部８は、端子部２ａａより放熱部材７側の領域に位置する。
【００２８】
このようにすれば、熱伝導性絶縁樹脂シート６と接触する領域に凹部８が配置されない。そのため、熱伝導性絶縁樹脂シート６による半導体装置２０と放熱部材７との加圧・加熱による接合処理時に、熱伝導性絶縁樹脂シート６内で流動する樹脂と空気とが凹部８近傍に集中するといった現象の発生を防止できる。このため、熱伝導性絶縁樹脂シート６における部分放電開始電圧の低下を抑制できる。この結果、半導体モジュール１００における絶縁信頼性を向上させることができる。また、同時に熱伝導性絶縁樹脂シート６内の樹脂の分布が均一になることで、熱伝導性絶縁樹脂シート６の接着性も向上させることができる。この結果、半導体モジュール１００の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
なお、放熱部材７の第１面７ａの一部７ａａの平坦性は熱伝導性絶縁樹脂シート６の裏面の平坦性と同程度出ることが好ましい。半導体装置２０の表面部分２０ａの一部領域２０ａａの平坦性は、熱伝導性絶縁樹脂シート６の上面の平坦性同程度であることが好ましい。放熱部材７の第１面７ａの一部７ａａおよび半導体装置２０の表面部分２０ａの一部領域２０ａａは０．１ｍｍ以上の深さを有する凹部が形成されていないことが好ましい。
【００３０】
実施の形態２．
＜半導体モジュールの構成＞
図３は、実施の形態２に係る半導体モジュールの断面模式図である。図４は、実施の形態２に係る半導体モジュールの変形例を示す拡大部分断面模式図である。
【００３１】
図３に示した半導体モジュール１００は、基本的には図１および図２に示した半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体装置２０における凹部８が形成された領域の構造が図１および図２に示した半導体モジュール１００と異なっている。具体的には、図３に示した半導体モジュール１００では、半導体装置２０の表面部分２０ａが、段差部９を含んでいる。段差部９は、一部領域２０ａａより外側に位置する。段差部９は、半導体装置２０の側面であって金属配線部材２ａ，２ｂより放熱部材７側の領域に形成されている。段差部９は、一部領域２０ａａより放熱部材７から離れている。平面視において、段差部９は金属配線部材２ａ，２ｂの一部と重なっている。凹部８は段差部９に形成されている。異なる観点から言えば、凹部８はヒートスプレッダ３の上面より放熱部材７から離れた位置に配置されている。
【００３２】
この場合、半導体装置２０において段差部９が形成されると共に、当該段差部９に凹部８が形成されているので、当該段差部９および凹部８が形成されていない場合と比べて、半導体装置２０のモールド樹脂部５から露出した金属配線部材２ａ，２ｂと放熱部材７との間の沿面距離を相対的に長くできる。このため、絶縁特性を維持した状態で半導体モジュール１００の小型化を図ることができる。
【００３３】
図４に示した半導体モジュール１００は、基本的には図３に示した半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体装置２０における凹部８が形成された領域の構造が図３に示した半導体モジュール１００と異なっている。具体的には、図４に示した半導体モジュール１００では、半導体装置２０の表面部分２０ａの外周部に形成された段差部９が、第１段差９ａと第２段差９ｂとを含んでいる。凹部８は第２段差９ｂに形成されている。表面部分２０ａにおいて、第１段差９ａは第２段差９ｂより外周側に配置されている。第１段差９ａと放熱部材７の第１面７ａとの間の距離は、第２段差９ｂと放熱部材７の第１面７ａとの間の距離より大きい。
【００３４】
この場合、段差部９が多段構成となっているので、半導体装置２０のモールド樹脂部５から露出した金属配線部材２ａ，２ｂと放熱部材７との間の沿面距離を図３に示した半導体モジュール１００での沿面距離より相対的に長くできる。なお、段差部９に含まれる段差の数は図４に示したように２つに限られず、３つ以上としてもよい。
【００３５】
＜作用効果＞
上記半導体モジュール１００において、半導体装置２０の表面部分２０ａは、段差部９を含む。段差部９は、一部領域２０ａａより外側に位置する。段差部９は、一部領域２０ａａより放熱部材７から離れている。平面視において、段差部９は金属配線部材２ａ，２ｂの一部と重なっている。凹部８は段差部９に形成されている。
【００３６】
この場合、半導体装置２０において金属配線部材２ａ、２ｂと平面視において重なる位置に段差部９が形成されると共に、当該段差部９に凹部８が形成されているので、当該段差部９および凹部８が形成されていない場合と比べて、半導体装置２０のモールド樹脂部５から露出した金属配線部材２ａ，２ｂと放熱部材７との間の沿面距離を相対的に長くできる。この結果、半導体モジュール１００の絶縁特性を向上させることができるので、絶縁特性を維持したままで半導体モジュール１００の小型化を図ることができる。
【００３７】
実施の形態３．
＜半導体モジュールの構成＞
図５は、実施の形態３に係る半導体モジュールの断面模式図である。
【００３８】
図５に示した半導体モジュール１００は、基本的には図３に示した半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、放熱部材７の第１面７ａにおける外周部に放熱部材側段差部１０が形成されている点が、図３に示した半導体モジュール１００と異なっている。具体的には、図５に示した半導体モジュール１００では、放熱部材７の第１面７ａのうち、熱伝導性絶縁樹脂シート６と接続された一部７ａａより外側に位置する部分に、当該一部７ａａより半導体装置２０から離れた放熱部材側段差部１０が形成されている。放熱部材側段差部１０は半導体モジュール１００の平面視において金属配線部材２ａ，２ｂと部分的に重なっている。放熱部材側段差部１０は、熱伝導性絶縁樹脂シート６の外周を囲むように形成されていてもよい。
【００３９】
この場合、金属配線部材２ａ，２ｂと放熱部材７との間の空間距離が図３に示した半導体モジュール１００での当該空間距離より大きくなる。そのため、当該空間距離を大きくするためにヒートスプレッダ３の厚みＴ２を厚くする、あるいは接合部材４ａ，４ｂの厚みを厚くする、あるいは半導体素子１の厚みを厚くする、といった半導体モジュール１００の大型化につながる対応が不要となる。したがって、半導体モジュール１００の大型化を抑制でき、半導体装置２０における段差部９の形成と組み合わせて半導体モジュール１００の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００４０】
ここで、放熱部材側段差部１０の深さＬ３は、半導体モジュール１００の製造性を考慮した場合、たとえば以下のように設定できる。図５に示す半導体モジュール１００において、ヒートスプレッダ３の端から半導体素子１までの距離Ｌ２は最小でたとえば２ｍｍ程度である。ヒートスプレッダ３における熱広がりについて、熱の広がり角度が４５°程度であると想定する。この場合、ヒートスプレッダ３において十分熱を広げるためには、ヒートスプレッダ３の厚みＴ３は２ｍｍ程度必要である。さらに、この場合ヒートスプレッダ３の厚みＴ３を２ｍｍ以上とすると、かえって熱抵抗が増加による悪影響が大きくなる。一方で、例えば１２００Ｖ耐圧の半導体装置２０を検討した場合、最悪条件を考慮した際の上記空間距離は２．６ｍｍ以上必要である。したがって、放熱部材側段差部１０の深さＬ３を０．６ｍｍ以上とすることで、ヒートスプレッダ３を無駄に分厚くして沿面距離を確保しなくとも、半導体モジュール１００の絶縁性を担保できる。この結果、半導体モジュール１００の小型化および低コスト化を図ることができる。
【００４１】
＜作用効果＞
上記半導体モジュール１００では、平面視において、金属配線部材２ａ，２ｂと重なる放熱部材７の第１面７ａの部分であって、熱伝導性絶縁樹脂シート６と接続された一部７ａａより外側に位置する部分は、当該一部７ａａより半導体装置２０から離れた放熱部材側段差部１０を含む。
【００４２】
この場合、金属配線部材２ａ，２ｂと放熱部材７との間の空間距離を相対的に大きくできる。そのため、当該空間距離を大きくするためにヒートスプレッダ３などの半導体装置２０の構成部材の厚みを厚くすると言った対応が不要となる。したがって、半導体モジュール１００の大型化を抑制でき、半導体モジュール１００の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００４３】
実施の形態４．
＜半導体モジュールの構成＞
図６は、実施の形態４に係る半導体モジュールの断面模式図である。図７は、実施の形態４に係る半導体モジュールの変形例１を示す拡大部分断面模式図である。図８は、実施の形態４に係る半導体モジュールの変形例２を示す拡大部分断面模式図である。
【００４４】
図６に示した半導体モジュール１００は、基本的には図１および図２に示した半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体装置２０における凹部８が形成された領域の構造が図１および図２に示した半導体モジュール１００と異なっている。具体的には、図６に示した半導体モジュール１００では、半導体装置２０の表面部分２０ａに、熱伝導性絶縁樹脂シート６の外周を囲む凸部１１が形成される。凸部１１の表面の一部は放熱部材７の第１面７ａに接触している。凹部８は凸部１１において第１面７ａに接触する上記表面の一部に形成されている。凸部１１はモールド樹脂部５の放熱部材７に面する表面部分の外周部に形成されている。
【００４５】
この場合、凸部１１と放熱部材７の第１面７ａとが接触するため、熱伝導性絶縁樹脂シート６を加圧加熱して半導体装置２０と放熱部材７とを接合する時、熱伝導性絶縁樹脂シート６から流出する樹脂を凸部１１においてせき止めることができる。さらに、凸部１１により囲まれた空間が密閉された状態となるため、熱伝導性絶縁樹脂シート６の内圧が高くなる。熱伝導性絶縁樹脂シート６内の内圧が高くなれば、当該熱伝導性絶縁樹脂シート６の内部において空気（ボイド）をより潰しやすくなる。この結果、熱伝導性絶縁樹脂シート６での部分放電開始電圧を向上させることができる。したがって、半導体モジュール１００の絶縁信頼性を向上させることができる。
【００４６】
図７に示した半導体モジュール１００は、基本的には図６に示した半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体装置２０における凸部１１の構造が図６に示した半導体モジュール１００と異なっている。具体的には、図７に示した半導体モジュール１００では、半導体装置２０の凸部１１における内周側の表面がテーパ部１１ａとなっている。テーパ部１１ａは、凸部１１において熱伝導性絶縁樹脂シート６に面する表面部分である。テーパ部１１ａは、放熱部材７の第１面７ａに対して傾斜している。テーパ部１１ａと第１面７ａとの間の距離は、半導体装置２０の側面に近づくにつれて小さくなる。異なる観点から言えば、テーパ部１１ａと第１面７ａとの間の距離は、熱伝導性絶縁樹脂シート６から離れるにつれて小さくなる。この場合、熱伝導性絶縁樹脂シート６を加圧加熱して半導体装置２０と放熱部材７とを接合する時、熱伝導性絶縁樹脂シート６内を流動する樹脂および空気が凸部１１近傍において放熱部材７側に集まりやすくなる。このため、熱伝導性絶縁樹脂シート６内でのヒートシンク３側のボイドを低減できる。この結果、熱伝導性絶縁樹脂シート６での部分放電開始電圧をさらに向上させて、半導体モジュール１００の絶縁信頼性を向上させることができる。
【００４７】
図８に示した半導体モジュール１００は、基本的には図６に示した半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体装置２０における凸部１１の構造が図６に示した半導体モジュール１００と異なっている。具体的には、図８に示した半導体モジュール１００では、半導体装置２０の凸部１１における内周側の表面に段差部１１ｂが形成されている。段差部１１ｂは第１段差１１ｂａと第２段差１１ｂｂとを含む。段差部１１ｂに含まれる段差の数は図８に示すように２つでもよいが、３つ以上でもよい。段差部１１ｂにおいて、半導体装置２０の外周側に近い段差ほど、放熱部材７の第１面７ａとの間の距離が小さくなることが好ましい。
【００４８】
＜作用効果＞
上記半導体モジュールにおいて、半導体装置２０の表面部分２０ａには、一部領域２０ａａより外側に位置し、熱伝導性絶縁樹脂シート６の外周を囲む凸部１１が形成される。凹部８は凸部１１に形成されている。この場合、熱伝導性絶縁樹脂シート６を加圧加熱して半導体装置２０と放熱部材７とを接合する時、熱伝導性絶縁樹脂シート６から流出する樹脂を凸部１１においてせき止めることができる。さらに、凸部１１により囲まれた空間が密閉された状態とできる場合には、熱伝導性絶縁樹脂シート６の内圧を高くできる。熱伝導性絶縁樹脂シート６内の内圧が高くなれば、当該熱伝導性絶縁樹脂シート６の内部において空気（ボイド）をより潰しやすくなる。この結果、熱伝導性絶縁樹脂シート６での部分放電開始電圧を向上させることができる。したがって、半導体モジュール１００の絶縁信頼性を向上させることができる。
【００４９】
実施の形態５．
＜半導体モジュールの構成＞
図９は、実施の形態５に係る半導体モジュールの断面模式図である。図１０は、図９に示した半導体モジュールの拡大部分断面模式図である。図１１は、実施の形態５に係る半導体モジュールの変形例を示す拡大部分断面模式図である。
【００５０】
図９および図１０に示した半導体モジュール１００は、基本的には図７に示した半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、放熱部材７の第１面７ａにおける外周部に放熱部材側段差部１０が形成されている点が、図７に示した半導体モジュール１００と異なっている。具体的には、図９および図１０に示した半導体モジュール１００では、放熱部材７の第１面７ａのうち、熱伝導性絶縁樹脂シート６と接続された一部７ａａより外側に位置する部分に、当該一部７ａａより半導体装置２０から離れた放熱部材側段差部１０が形成されている。放熱部材側段差部１０の深さは図５に示した半導体モジュール１００と同様にたとえば０．６ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００５１】
放熱部材側段差部１０は半導体モジュール１００の平面視において金属配線部材２ａ，２ｂと部分的に重なっている。放熱部材側段差部１０は、熱伝導性絶縁樹脂シート６の外周を囲むように形成されている。半導体装置２０の凸部１１は放熱部材側段差部１０と嵌合してもよい。具体的には、半導体装置２０の凸部１１の内周側表面であるテーパ部１１ａに、放熱部材７の第１面７ａにおける放熱部材側段差部１０の内周側の端部である角部７ａｂが接触してもよい。この場合、実施の形態４に係る半導体モジュール１００と同様に、熱伝導性絶縁樹脂シート６を加圧加熱して半導体装置２０と放熱部材７とを接合する時、熱伝導性絶縁樹脂シート６内を流動する樹脂および空気が凸部１１近傍において放熱部材７側に集まりやすくなる。このため、熱伝導性絶縁樹脂シート６内でのボイドの発生を抑制できる。この結果、熱伝導性絶縁樹脂シート６での部分放電開始電圧をさらに向上させて、半導体モジュール１００の絶縁信頼性を向上させることができる。さらに、モールド樹脂部５の外側に露出した金属配線部材２ａ，２ｂと放熱部材７との間の空間距離および沿面距離を相対的に大きくできる。このため、半導体モジュール１００の大型化を抑制でき、半導体モジュール１００の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５２】
図１１に示した半導体モジュール１００は、基本的には図９および図１０に示した半導体モジュール１００と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体装置２０における凸部１１の構造が図９および図１０に示した半導体モジュール１００と異なっている。具体的には、図１１に示した半導体モジュール１００では、半導体装置２０の凸部１１における内周側の表面に段差部１１ｂが形成されている。段差部１１ｂは第１段差１１ｂａと第２段差１１ｂｂとを含む。図８に示した半導体モジュール１００と同様に、段差部１１ｂに含まれる段差の数は２つでもよいが、３つ以上でもよい。段差部１１ｂにおいて、半導体装置２０の外周側に近い段差ほど、放熱部材７の放熱部材側段差部１０の表面との間の距離が小さくなることが好ましい。
【００５３】
＜作用効果＞
上記半導体モジュール１００において、放熱部材の第１面７ａは、放熱部材側段差部１０を含む。放熱部材側段差部１０は、平面視において、熱伝導性絶縁樹脂シート６と接続された一部７ａａを囲むとともに、当該一部７ａａより半導体装置２０から離れている。半導体装置２０の凸部１１は、放熱部材側段差部１０と接触している。
【００５４】
この場合、熱伝導性絶縁樹脂シート６を加圧加熱して半導体装置２０と放熱部材７とを接合する時、熱伝導性絶縁樹脂シート６内でのボイドの発生を抑制できる。この結果、熱伝導性絶縁樹脂シート６での部分放電開始電圧を向上させて、半導体モジュール１００の絶縁信頼性を向上させることができる。さらに、モールド樹脂部５の外側に露出した金属配線部材２ａ，２ｂと放熱部材７との間の空間距離および沿面距離を相対的に大きくできる。このため、半導体モジュール１００の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５５】
実施の形態６．
本実施の形態は、上述した実施の形態１〜実施の形態５のいずれかに係る半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態６として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
【００５６】
図１２は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【００５７】
図１２に示す電力変換システムは、電源１５０、電力変換装置２５０、負荷３００から構成される。電源１５０は、直流電源であり、電力変換装置２５０に直流電力を供給する。電源１５０は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１５０を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
【００５８】
電力変換装置２５０は、電源１５０と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１５０から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２５０は、図１２に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２５１と、主変換回路２５１を制御する制御信号を主変換回路２５１に出力する制御回路２５３とを備えている。
【００５９】
負荷３００は、電力変換装置２５０から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
【００６０】
以下、電力変換装置２５０の詳細を説明する。主変換回路２５１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１５０から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２５１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２５１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２５１の各スイッチング素子や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１〜実施の形態５のいずれかに相当する半導体モジュール２５２によって構成する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２５１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【００６１】
また、主変換回路２５１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール２５２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２５２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２５１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２５１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２５３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
【００６２】
制御回路２５３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２５１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２５１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２５１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２５１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
【００６３】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２５１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜実施の形態５のいずれかに係る半導体モジュールを適用するため、電力変換装置の信頼性の向上を図ることができる。
【００６４】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
【００６５】
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
【００６６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本発明の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【符号の説明】
【００６７】
１  半導体素子、２ａ，２ｂ  金属配線部材、２ａａ  端子部、２ａｂ  接続部、２ｃ  ワイヤ、３  ヒートスプレッダ、４ａ，４ｂ  接合部材、５  モールド樹脂部、６  熱伝導性絶縁樹脂シート、７  放熱部材、７ａ  第１面、７ａａ  一部、７ａｂ  角部、８  凹部、９，１１ｂ  段差部、９ａ，１１ｂａ  第１段差、９ｂ，１１ｂｂ  第２段差、１０  放熱部材側段差部、１１  凸部、１１ａ  テーパ部、２０  半導体装置、２０ａ  表面部分、２０ａａ  一部領域、１００，２５２  半導体モジュール、１５０  電源、２５０  電力変換装置、２５１  主変換回路、２５３  制御回路、３００  負荷。
【要約】
信頼性の高い半導体モジュールおよび当該半導体モジュールを用いた信頼性の高い電力変換装置が得られる。半導体モジュール（１００）は、放熱部材（７）と、半導体装置（２０）と、熱伝導性絶縁樹脂シート（６）とを備える。熱伝導性絶縁樹脂シート（６）は、放熱部材（７）と半導体装置（２０）とを接続する。半導体装置（２０）は、半導体素子（１）と、金属配線部材（２ａ）とを含む。金属配線部材（２ａ）は、半導体素子（１）と電気的に接続される。金属配線部材（２ａ）は、半導体装置（２０）の外側に突出する端子部（２ａａ）を含む。半導体装置（２０）の表面部分（２０ａ）において、熱伝導性絶縁樹脂シート（６）が接続された一部領域（２０ａａ）より外側に凹部（８）が形成される。凹部（８）は、端子部（２ａａ）より放熱部材（７）側の領域に位置する。【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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【図１２】
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