(57)【要約】【課題】  ガードリング部に発生する応力を低減し、耐圧低下とセル破壊が生じにくい半導体装置のモジュール構造を提供する。【解決手段】  第１導電型の高抵抗層と、第１導電型の高抵抗層の上部に形成された第２導電型のベース層と、第２導電型のベース層の上部に形成された第１導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域に接続されるエミッタ電極と、第２導電型のベース層に隣接して絶縁されたゲート電極と、エミッタ領域を含むセル領域周囲の拡散を深くしたガードリング部と、ガードリング部の上部に形成し、かつ、セル領域の上部にはかからないパッシベーション膜と、第１導電型のバッファ層の下面に形成される第２導電型のコレクタ層と、コレクタ層に接続されるコレクタ電極と、パッシベーション膜に非接触となる高さでエミッタ電極に接続される金属平板の上部放熱部を備えた。【選択図】    図１        
2005203548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の高抵抗層と、
前記第１導電型の高抵抗層の上部に形成された第２導電型のベース層と、
前記第２導電型のベース層の上部に形成された第１導電型のエミッタ領域と、
前記エミッタ領域に接続されるエミッタ電極と、
前記第２導電型のベース層に隣接して絶縁されたゲート電極と、
前記エミッタ領域を含むセル領域周囲の拡散を深くしたガードリング部と、
前記ガードリング部の上部に形成し、かつ、前記セル領域の上部にはかからないパッシベーション膜と、
前記第１導電型のバッファ層の下面に形成される第２導電型のコレクタ層と、
前記コレクタ層に接続されるコレクタ電極と、
前記パッシベーション膜に非接触となる高さで前記エミッタ電極に接続される金属平板の上部放熱部を備えたことを特徴とする半導体装置のモジュール構造。
【請求項２】
前記半導体装置のモジュール構造は、さらに、ダイオード部を備え、該ダイオード部の上部のカソード電極と前記上部放熱部が接続されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置のモジュール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置のモジュール構造に関し、特に、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワーデバイスを含む半導体装置でのデバイス上部に放熱機構を備えた半導体装置のモジュール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
比較的大電流を制御するスイッチング半導体素子としてパワーデバイスが知られている。パワーデバイスにはパワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等があり、このうちＩＧＢＴは、電圧駆動による駆動の容易性と伝導度変調効果による低損失性の長所を持つデバイスとして電動車両のインバータ等に用いられている。
【０００３】
図５は、従来のＩＧＢＴのモジュール構造を示す断面図である。従来のＩＧＢＴモジュール１００は、作動部１０１とガードリング部１０２を備えた半導体素子１０３を冷却する放熱板１０４を備えている。放熱板１０４は、作動部１０１とガードリング部１０２の下部に設けられた絶縁体からなる基板１０５に接合された下部放熱板から成る。また、半導体素子１０３は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）からなる。
【０００４】
作動部１０１は、第１導電型（Ｎ型）半導体の高抵抗層１０６とその下部に位置する第１導電型（Ｎ＋型）半導体のバッファ層１０７と、第１導電型半導体の高抵抗層１０６の上部に形成された第２導電型（Ｐ型）半導体のベース層１０８と、第２導電型半導体のベース層１０８の上部に形成された第１導電型（Ｎ型）半導体のエミッタ領域１０９と、エミッタ領域１０９に接触されるエミッタ電極１１０と、第２導電型半導体のベース層１０８のチャネル領域上に絶縁体１１１で絶縁して形成されたゲート電極１１２からなり、第１導電型半導体のバッファ層１０７の下面には、第２導電型（Ｐ＋型）半導体のコレクタ層１１３が形成され、コレクタ層１１３には、コレクタ電極１１４が接触されている。
【０００５】
また、ガードリング部１０２は、Ｎ型半導体層１０６の上部に第２導電型（Ｐ型）半導体層１１５が形成され、その上部にＳｉＯ２等の絶縁膜１１６が堆積されている。また、１１７はゲート電極引き回し線である。
【０００６】
作動部１０１とガードリング部１０２の上で、エミッタ電極１１０の一部の上と絶縁膜１１６の上には、リーク電流抑制のために、絶縁膜１１６であるＳｉＯ２が剥き出しにならないようにポリイミド等のパッシベーション膜１１８で表面を覆う。
【０００７】
半導体素子１０３を構成する半導体は、シリコン（Ｓｉ）からなり、エミッタ電極１１０は、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）からなり、コレクタ電極１１４は銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）からなる金属１１４ａとニッケル（Ｎｉ）からなる金属１１４ｂで形成され、コレクタ電極１１４と基板１０５は半田１１９で接合されており、エミッタ電極１１０からはアルミニウム等からなるワイヤ１２０で配線されている。また、放熱板１０４はアルミニウムや銅等で形成される。基板１０５は放熱板１０４に半田１２１で接合されている。
【０００８】
図６は、従来のダイオードのモジュール構造を示す断面図である。従来のダイオードモジュール２００は、作動部２０１とガードリング部２０２を備えた半導体素子２０３を冷却する放熱板２０４を備えている。放熱板２０４は、作動部２０１とガードリング部２０２の下部に設けられた絶縁体からなる基板２０５に接合されている。半導体素子２０３は、ダイオードである。
【０００９】
作動部２０１は、第１導電型（Ｎ型）半導体の高抵抗層２０６とその下部に位置する第１導電型（Ｎ＋型）の半導体層２０７と、第１導電型半導体の高抵抗層２０６の上部に形成された第２導電型（Ｐ＋）の半導体層２０８と、第２導電型の半導体層２０８に接触されたカソード電極２０９と、第１導電型の半導体層２０７に接触されたアノード電極２１０からなる。
【００１０】
また、ガードリング部２０２には、Ｎ型半導体層２０６の上部に第２導電型（Ｐ型）半導体層２１１が形成され、その上部にＳｉＯ２等の絶縁体２１２が堆積されている。カソード電極２０９の一部の上とＳｉＯ２からなる絶縁体２１２の上には、リーク電流抑制のために、ＳｉＯ２が剥き出しにならないようにポリイミド等のパッシベーション膜２１３で表面を覆う。
【００１１】
半導体素子２０３を構成する半導体は、シリコン（Ｓｉ）であり、カソード電極２０９は、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）やアルミニウム／チタンニッケル／チタン（Ａｌ／ＴｉＮｉ／Ｔｉ）であり、アノード電極２１０は銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）等の金属２１０ａとニッケル（Ｎｉ）等の金属２１０ｂからなり、アノード電極２１０と基板２０５は半田２１４で接合されており、カソード電極２０９からはアルミニウム等からなるワイヤ２１５で配線されている。また、放熱板２０４はアルミニウムや銅等で形成される。基板２０５は放熱板２０４に半田２１６で接合されている。
【００１２】
これらパワーデバイスを、電動車両のインバータ等に用いる場合、数百アンペア（Ａ）程度の大電流が流れることになり、半導体素子自身が発熱した。そのため、従来は半導体素子の下部、コレクタ電極側にヒートシンクや水冷機構を設け、冷却していた。しかしながら、半導体素子上面側のセル冷却がされず、セルが破壊されることがあった。
【００１３】
これに対し、半導体素子の上面側に平面の金属板（ストラップ）を備え、電極からのリードと放熱板を兼ねることにより、半導体素子上面から放熱を行う技術が存在する（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）。
【００１４】
例えば、特許文献１では、絶縁基板上に装着されたパワー半導体チップおよび金属平板によって形成され、上記パワー半導体チップの電極部と対向する電極対向部と、この電極対向部から折曲されて延在する立ち上げ部と、この立ち上げ部に連なる導出部とを有する配線部材を備えたパワー半導体モジュールにおいて、上記パワー半導体チップの電極部と、上記配線部材の電極対向部とを導電性樹脂によって接合している。
【００１５】
特許文献２では、パワー半導体素子が、その下面が放熱板上に搭載されて筐体内に収納されるパワー半導体モジュールにおいて、上記パワー半導体素子の上面と上記放熱板上とに接合される平板状またはブロック状の放熱部材を備え、放熱部材を介して上記半導体素子の上面から、上記放熱板に放熱するようにした。
【００１６】
特許文献３では、メインフレーム上に２またはそれ以上のパワー素子を配して形成される半導体装置であって、金属の接続用フレームを介して少なくともパワー素子の活性面どうしを接続する。
【００１７】
特許文献１〜特許文献３での従来の半導体素子の上面側に平面の金属板（ストラップ）を備え、素子上面から放熱を行う技術では、半導体素子上面とストラップとを、ハンダや導電性樹脂などの導電性とある程度の熱伝導度を備えた接着剤により、電気的に接続している。
【００１８】
そのため、特許文献１〜特許文献３に記載されるような、半導体素子の上面側に平面の金属板（ストラップ）を備えて素子上面から放熱を行う技術を適用すると、パッシベーション膜直下に形成されたセルとそれ以外のセルとで放熱特性が大幅に異なる。この様な状態でセルが動作すると電流が流れ、ジュール熱が発生し、ラッチアップ現象が起きやすくなる。ラッチアップが起きると、局所的に電流が流れ高熱が発生して、ＰＮ接合が破壊するなどのセル破壊の原因になっていた。
【００１９】
また、この場合、金属であるストラップの熱膨張係数が、半導体素子（Ｓｉ）とパッシベーション膜（ポリイミド、ＳｉＮ，ＳｉＯ，ＳｉＯＮ，ＰＳＧ（phosphorous Silicate Glass),ＳｉＯ２，ＮＳＧ（Nondoped Silicate Glass）等）または、シリコン基板の熱膨張係数と異なるため、半導体素子自身の発熱や熱衝撃試験時の熱衝撃によりパッシベーション膜下のガードリング部に横方向の応力がかかり、ガードリング部のシリコン基板にクラックが発生する。このクラックにより、結果として耐圧低下を引き起こす。
【００２０】
また、従来の半導体素子では、パッシベーション膜を、パターン加工時に起きるサイドエッジを考慮し、セル領域のエミッタ電極上部まで形成していた。
【特許文献１】特開２０００−１２４３９８号公報
【特許文献２】特開２０００−１５６４３９号公報
【特許文献３】特開２００２−３３４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の課題は、半導体素子の上面から放熱を行う構造でのストラップと半導体素子とパッシベーション膜との熱膨張係数の違いによるガードリング部に発生する応力によって生じる耐圧低下の問題を解消することと、パッシベーション膜直下のセルとそれ以外のセルとで放熱特性が大幅に異なるために生じるセル破壊の問題を解消することにある。
【００２２】
本発明の目的は、上記の課題を鑑み、ガードリング部に発生する応力を低減し、耐圧低下とセル破壊が生じにくい半導体装置のモジュール構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に係る半導体装置のモジュール構造は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００２４】
第１の半導体装置のモジュール構造（請求項１に対応）は、第１導電型の高抵抗層と、第１導電型の高抵抗層の上部に形成された第２導電型のベース層と、第２導電型のベース層の上部に形成された第１導電型のエミッタ領域と、エミッタ領域に接続されるエミッタ電極と、第２導電型のベース層に隣接して絶縁されたゲート電極と、エミッタ領域を含むセル領域周囲の拡散を深くしたガードリング部と、ガードリング部の上部に形成し、かつ、セル領域の上部にはかからないパッシベーション膜と、第１導電型のバッファ層の下面に形成される第２導電型のコレクタ層と、コレクタ層に接続されるコレクタ電極と、パッシベーション膜に非接触となる高さでエミッタ電極に接続される金属平板の上部放熱部を備えたことで特徴づけられる。これにより、ガードリング部に発生する応力を低減し、耐圧低下とセル破壊を生じにくくすることができる。
【００２５】
第２の半導体装置のモジュール構造（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、さらに、ダイオード部を備え、ダイオード部の上部のカソード電極と上部放熱部が接続されていることで特徴づけられる。これにより、ガードリング部に発生する応力を低減し、耐圧低下とセル破壊や素子破壊が生じにくい半導体装置を形成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、パワー半導体素子の上面側にリードと放熱板を兼ね備えたストラップを装着することで起こるセル破壊やガードリング部に応力がかかることを原因とした耐圧低下を防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のモジュール構造の主要部を示す断面図である。この実施形態では半導体装置として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いている。ＩＧＢＴモジュール１０は、作動部１１とガードリング部１２を備えた半導体素子１３を冷却する放熱板１４，１５を備えている。
【００２９】
放熱板１４，１５は、作動部１１とガードリング部１２の下部に設けられた絶縁体からなる基板３４に接合した下部放熱板１４と、作動部１１の上部のエミッタ電極１６と、金属１７と金属１８と接着剤１９を介して接合し、ガードリング部１２の上部に堆積されたパッシベーション膜２０とは間隙２１を設けて接合しない上部放熱板（ストラップ）１５から成る。金属１７と金属１８は、エミッタ電極１６と接着剤１９の相関金属であり、金属１８は銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等であり、金属１７はニッケル（Ｎｉ）、チタン／ニッケル（Ｎｉ／Ｔｉ）等である。また、接着剤１９は半田や導電性樹脂等である。パッシベーション膜２０は、ポリイミド、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、燐ガラス（ＰＳＧ），非ドープケイ酸塩ガラス（ＮＳＧ），二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等からなっている。また、半導体素子１３は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）からなる。
【００３０】
作動部１１は、第１導電型（Ｎ型）半導体の高抵抗層２２とその下部に位置する第１導電型（Ｎ＋型）半導体のバッファ層２３と、第１導電型半導体の高抵抗層２２の上部に形成された第２導電型（Ｐ＋型）半導体のベース層２４と、第２導電型半導体のベース層２４の上部に形成された第１導電型（Ｎ型）半導体のエミッタ領域２５と、エミッタ領域２５に接触されたエミッタ電極１６と、第２導電型半導体のベース層２４のチャネル領域上に絶縁体２６で、絶縁して形成されたゲート電極２７とを備え、第１導電型半導体のバッファ層２３の下面には、第２導電型半導体のコレクタ層２８が形成され、コレクタ層２８には、銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）等の金属２９ｂとニッケル（Ｎｉ）等の金属２９ａからなるコレクタ電極２９が接触されている。
【００３１】
また、ガードリング部１２は、Ｎ型半導体層２２の上部に第２導電型（Ｐ型）半導体層３０が形成され、その上部にＳｉＯ２等の絶縁層３１が堆積されている。また、３２はゲート電極引き回し線である。ガードリング部１２の上には、リーク電流抑制のために、絶縁層３１であるＳｉＯ２が剥き出しにならないようにポリイミドや窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）等のパッシベーション膜２０で表面を覆う。また、パッシベーション膜２０は、作動部１１の上部にはかからない。
【００３２】
この半導体装置を構成する半導体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）であるが、それに限らすガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの化合物半導体でもよい。エミッタ電極１６は、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）であり、コレクタ電極２９と基板３４は半田３５で接合されている。また、放熱板１４はアルミニウムや銅等で形成される。また、上部放熱板（ストラップ）１５もアルミニウムや銅等で形成される。
【００３３】
基板３４は両面に銅やアルミニウム等からなる金属薄板（図示せず）が接着されたアルミナや窒化アルミニウム、窒化ケイ素等からなる。基板３４は半田等３７により放熱板１４上に接合され、コレクタ電極２９は半田３５等の導電性材料で、基板３４上の金属薄板に電気的に接続されて、半導体素子１３は基板３４を介して下部放熱板１４上に搭載される。また、上部放熱板（ストラップ）１５は、基板３４に半田３６によって接合されている。
【００３４】
ＩＧＢＴモジュール１０は、下部放熱板１４下で高熱伝導性のグリース等によってヒートシンク等の放熱器に接合されており、ＩＧＢＴモジュール１０の運転時に半導体素子（ＩＧＢＴ素子）１３で発生する熱を下部放熱板１４と上部放熱板１５を介して放熱器に伝導して放熱し、これによりＩＧＢＴ素子１３が冷却される。この様に構成されるＩＧＢＴモジュール１０では、ＩＧＢＴ素子１３で発生する熱は、コレクタ電極２９側のＩＧＢＴ素子１３下面から基板３４と下部放熱板１４を介して放熱器に伝導される。一方エミッタ電極１６側のＩＧＢＴ素子１３上面では、上部放熱板１５が接着剤１９を介してＩＧＢＴ素子１３のエミッタ電極１６に接合され、さらにこの上部放熱板１５は半田３６等により基板３４に接合されている。上部放熱板１５は断面積の大きな平板状であるため、熱伝導路として用いられ、ＩＧＢＴ素子１３で発生する熱は、ＩＧＢＴ素子１３のエミッタ電極１６側のＩＧＢＴ素子１３上面からも、接着剤１９、上部放熱板１５、基板３４および下部放熱板１４を介して放熱器に伝導される。
【００３５】
このように、ＩＧＢＴ素子１３で発生する熱は、ＩＧＢＴ１３のエミッタ電極１６側、コレクタ電極２９側の両側から放熱器へ伝導するので、従来のＩＧＢＴモジュールのようにＩＧＢＴ素子１３のコレクタ電極２９側からのみ放熱器へ伝導するものに比べて、熱伝導路が増加するため熱抵抗が低減する。これによりＩＧＢＴモジュール１０の冷却性能が向上し、ＩＧＢＴ素子１３の発熱温度を低減することができる。また、上部放熱板１５を金属で構成したため、ＩＧＢＴ素子１６からの放熱を担うだけでなく、ＩＧＢＴ素子１３とエミッタ用の外部電極端子（図示せず）間を接続する電気的配線の一部を構成し、電気的配線として用いられる。
【００３６】
さらに、この上部放熱板１５は、ガードリング部１２上部のパッシベーション膜２０との間に間隙２１があり、パッシベーション膜２０と接合していないので、温度上昇があったときの上部放熱板１５の膨張とパッシベーション膜２０、ガードリング部１２の熱膨張が異なっていてもガードリング部１２のＮ型高抵抗層２２やＰ型半導体層３０、Ｎ＋型バッファ層２３、コレクタ層２８が形成されたシリコン基板に熱応力が発生せず、そのシリコン基板でのクラックの発生を抑えることができ、クラック発生による耐圧低下を避けることができる。また、パシベーション膜２０がガードリング部上部だけにあるのでジュール熱による半導体内部の温度の不均一性を避けることができるので、ラッチアップが起こりにくくなり、セル破壊を低減することができる。
【００３７】
なお、上記のような構造は、図２で示すようなトレンチ構造の素子に対しても用いることができる。図２は、本発明をトレンチ構造のデバイスに適用したものである。セル領域（作動部１１）の構造は異なるが、この発明の要部である、セル領域上にパッシベーション膜５０を備えない点と、上部放熱板がパッシベーション膜に非接触のため、ストレスを与えない点は同様である。また、図２においての符号は、図１での構造と同様の機能を有する部材に同様の符号を付している。
【００３８】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置のモジュール構造を示す断面図である。この実施形態では、半導体装置を構成する半導体素子はダイオードである。ダイオードモジュール４０は、作動部４１とガードリング部４２を備えた半導体素子４３を冷却する放熱板４４，４５を備えている。
【００３９】
放熱板４４，４５は、作動部４１とガードリング部４２の下部に設けられた絶縁体からなる基板５８に接合した下部放熱板４４と、作動部４１の上部のカソード電極４６と、金属４７と金属４８と接着剤４９を介して接合し、ガードリング部４２の上部に堆積されたパッシベーション膜５０とは間隙５１を設けて接合しない上部放熱板（ストラップ）４５から成る。金属４７と金属４８は、カソード電極４６と接着剤４９の相関金属であり、金属４７は銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等であり、金属４８はニッケル（Ｎｉ）、チタン／ニッケル（Ｎｉ／Ｔｉ）等である。また、接着剤４９は、半田や導電性樹脂等である。パッシベーション膜５０はポリイミド、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、燐ガラス（ＰＳＧ）、非ドープケイ酸塩ガラス（ＮＳＧ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等からなっている。また、半導体素子４３は、ダイオードからなる。
【００４０】
作動部４１は、第１導電型（Ｎ型）半導体の高抵抗層５２とその下部に位置する第１導電型（Ｎ＋型）の半導体層５３と、第１導電型（Ｎ型）半導体の高抵抗層５２の上部に形成された第２導電型（Ｐ＋型）の半導体層５４と、第２導電型の半導体層５４に接触されたカソード電極４６と、第１導電型の半導体層５３に接触された銀（Ａｇ）や金（Ａｕ）等の金属５５ｂとニッケル（Ｎｉ）等の金属５５ａからなるアノード電極５５を備えている。
【００４１】
また、ガードリング部４２は、Ｎ型半導体層５２の上部に第２導電型（Ｐ型）半導体層５６が形成され、その上部にＳｉＯ２等の絶縁層５７が堆積されている。ガードリング部４２の上には、リーク電流抑制のために、絶縁層５７であるＳｉＯ２が剥き出しにならないようにポリイミドや窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、燐ガラス（ＰＳＧ）、非ドープケイ酸塩ガラス（ＮＳＧ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等のパッシベーション膜５０で表面を覆う。また、パッシベーション膜５０は、作動部４１の上部にはかからない。
【００４２】
この半導体装置を構成する半導体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）であるが、それに限らすガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの化合物半導体でもよい。カソード電極４６は、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）であり、アノード電極５５と基板５８は半田５９ａで接合されている。また、下部放熱板４４はアルミニウムや銅等で形成される。また、上部放熱板（ストラップ）４５もアルミニウムや銅等で形成される。
【００４３】
基板５８は両面に銅等からなる金属薄板（図示せず）が接着されたアルミナや窒化アルミニウム等からなる。基板５８は半田等により下部放熱板４４上に接合され、アノード電極５５は半田５９ａ等の導電性材料で、基板５８上の金属薄板に電気的に接続されて、半導体素子４３は基板５８を介して下部放熱板４４上に搭載される。また、上部放熱板（ストラップ）４５は、基板５８に半田５９ｂによって接合されている。
【００４４】
ダイオードモジュール４０は、下部放熱板４４下で高熱伝導性のグリース等によってヒートシンク等の放熱器に接合されており、ダイオードモジュールの運転時に半導体素子（ダイオード素子）４３で発生する熱を下部放熱板４４と上部放熱板４５を介して放熱器に伝導して放熱し、これによりダイオード素子４３が冷却される。このように構成されるダイオードモジュール４０では、ダイオード素子４３で発生する熱は、アノード電極５５側のダイオード素子４３下面から基板５８と下部放熱板４４を介して放熱器に伝導される。一方カソード電極４６側のダイオード素子４３上面では、上部放熱板４５が接着剤４９を介してダイオード素子４３のカソード電極４６に接合され、さらにこの上部放熱板４５は半田５９ｂ等により基板５８に接合されている。上部放熱板４５は断面積の大きな平板状であるため、熱伝導路として用いられ、ダイオード素子４３で発生する熱は、ダイオード素子４３のカソード電極４６側のダイオード素子４３上面からも、接着剤４９、上部放熱板４５、基板５８および下部放熱板４４を介して放熱器に伝導される。
【００４５】
このように、ダイオード素子４３で発生する熱は、ダイオード４３のカソード電極４６側、アノード電極５５側の両側から放熱器へ伝導するので、従来のダイオードモジュールのようにダイオード素子４３のアノード電極５５側からのみ放熱器へ伝導するものに比べて、熱伝導路が増加するため熱抵抗が低減する。これによりダイオードモジュール４０の冷却性能が向上し、ダイオード素子４３の発熱温度を低減することができる。また、上部放熱板４５を金属で構成したため、ダイオード素子４３からの放熱を担うだけでなく、ダイオード素子４３とカソード用の外部電極端子（図示せず）間を接続する電気的配線の一部を構成し、電気的配線として用いられる。
【００４６】
さらに、この上部放熱板４５は、ガードリング部４２上部のパッシベーション膜５０との間に間隙５１があり、パッシベーション膜５０と接合していないので、温度上昇があったときの上部放熱板４５の膨張とパッシベーション膜５０、ガードリング部４２の熱膨張が異なっていてもガードリング部４２のＮ型高抵抗層５２やＰ型半導体層５６、Ｎ＋型半導体層５３が形成されたシリコン基板に熱応力が発生せず、そのシリコン基板にはクラックの発生を抑えることができ、クラック発生による耐圧低下を避けることができる。また、パシベーション膜５０がガードリング部上部だけにあるのでジュール熱による半導体内部の温度の不均一性を避けることができるので、ラッチアップが起きにくくなり、セル破壊を低減することができる。
【００４７】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置のモジュール構造の主要部を示す断面図である。この実施形態での半導体装置モジュール６０は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とダイオードを有している。そして、ＩＧＢＴ素子は第１の実施形態で説明したものと同様であるので、図１で示したものと同様の符号を付し、また、ダイオード素子は、第２の実施形態で説明したものと同様であるので、図３で示したものと同様の符号を付してそれらの素子構造の詳細な説明は省略する。
【００４８】
簡単に説明すると、半導体装置モジュール６０は、半導体素子（ＩＧＢＴ素子）１３と半導体素子（ダイオード素子）４３を冷却する放熱板６１、６２を備えている。放熱板６１，６２は、半導体素子１３，４３の下部に設けられた下部放熱板６１と、作動部１１，４１の上部の電極１６，４６と接合し、ガードリング部１２，４２の上部に堆積されたパッシベーション膜２０，５０とは接合しない上部放熱板６２から成っている。
【００４９】
半導体装置モジュール６０は、下部放熱板６１下で高熱伝導性のグリース等によってヒートシンク等の放熱器に接合されており、半導体装置モジュール６０の運転時にＩＧＢＴ素子１３とダイオード素子４３で発生する熱を下部放熱板６１と上部放熱板６２を介して放熱器に伝導して放熱し、これによりＩＧＢＴ素子１３とダイオード素子４３が冷却される。このように構成される半導体装置モジュール６０では、ＩＧＢＴ素子１３とダイオード素子４３で発生する熱は、コレクタ電極２９側のＩＧＢＴ素子１３下面から基板３４と下部放熱板６１を介して放熱器に伝導され、また、アノード電極５５側のダイオード素子４３下面から基板５８と下部放熱板６１を介して放熱器に伝導される。
【００５０】
一方エミッタ電極１６側のＩＧＢＴ素子１３上面では、上部放熱板６２が接着剤１９を介してＩＧＢＴ素子１３のエミッタ電極１６に接合され、また、カソード電極４６側のダイオード素子４３上面では、上部放熱板６２が接着剤４９を介したダイオード素子４３のカソード電極４６に接合され、さらにこの上部放熱板６２は半田等６３により基板に接合されている。上部放熱板６２は断面積の大きな平板状であるため、熱伝導路として用いられ、ＩＧＢＴ素子１３で発生する熱は、ＩＧＢＴ素子１３のエミッタ電極１６側のＩＧＢＴ素子１３上面からも、接着剤１９、上部放熱板６２、基板５８および下部放熱板６１を介して放熱器に伝導される。また、ダイオード素子４３で発生する熱は、ダイオード素子４３のカソード電極４６側のダイオード素子４３上面からも、接着剤４９、上部放熱板６２、基板５８および下部放熱板６１を介して放熱器に伝導される。
【００５１】
このように、ＩＧＢＴ素子１３で発生する熱は、ＩＧＢＴ１３のエミッタ電極１６側、コレクタ電極２９側の両側から放熱器へ伝導し、また、ダイオード素子４３で発生する熱は、ダイオード４３のカソード電極４６側、アノード電極５５側の両側から放熱器へ伝導するので、従来の半導体装置モジュールのようにＩＧＢＴ素子のコレクタ電極側と、ダイオード素子のアノード電極側からのみ放熱器へ伝導するものに比べて、熱伝導路が増加するため熱抵抗が低減する。これにより半導体装置モジュールの冷却性能が向上し、ＩＧＢＴ素子１３とダイオード素子４３の発熱温度を低減することができる。また、上部放熱板６２を金属で構成したため、ＩＧＢＴ素子１３とダイオード素子４３からの放熱を担うだけでなく、ＩＧＢＴ素子１３とエミッタ用の外部電極端子間を接続し、また、ダイオード素子４３とカソード用の外部電極端子間を接続する電気的配線の一部を構成し、電気的配線として用いられる。
【００５２】
さらに、この上部放熱板６２は、ガードリング部１２上部のパッシベーション膜２０との間に間隙２１があり、パッシベーション膜２０と接合していないので、温度上昇があったときの上部放熱板６２の膨張とパッシベーション膜２０、ガードリング部１２の熱膨張が異なっていてもガードリング部１２のＮ型高抵抗層２２やＰ型半導体層３０、Ｎ＋型バッファ層２３、コレクタ層２８が形成されたシリコン基板に熱応力が発生せず、そのシリコン基板でのクラックの発生を抑えることができ、クラック発生による耐圧低下を避けることができる。また、パシベーション膜２０がガードリング部上部だけにあるのでジュール熱による半導体内部の温度の不均一性を避けることができるので、ラッチアップが起こりにくくなり、セル破壊を低減することができる。
【００５３】
また、この上部放熱板６２は、ガードリング部４２上部のパッシベーション膜５０との間に間隙５１があり、パッシベーション膜５０と接合していないので、温度上昇があったときの上部放熱板６２の膨張とパッシベーション膜５０、ガードリング部４２の熱膨張が異なっていてもガードリング部４２のＮ型高抵抗層５２やＰ型半導体層５６、Ｎ＋型半導体層５３が形成されたシリコン基板に熱応力が発生せず、そのシリコン基板にはクラックの発生を抑えることができ、クラック発生による耐圧低下を避けることができる。また、パシベーション膜５０がガードリング部上部だけにあるのでジュール熱による半導体内部の温度の不均一性を避けることができるので、ラッチアップが起きにくくなり、素子破壊を低減することができる。
【００５４】
以上のように、本発明によれば、パワー半導体素子の上面側にリードと放熱板を兼ね備えたストラップを装着することで起こるセル破壊、素子破壊やガードリング部に応力がかかることを原因とした耐圧低下を防ぐことが可能となる。
【００５５】
なお、本実施形態においては、第１導電型半導体としてＮ型半導体を用い、第２導電型半導体としてＰ型半導体を用いて説明したが、それに限らず、第１導電型半導体としてＰ型半導体を用い、第２導電型半導体としてＮ型半導体を用いるようにしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、熱応力によるセル破壊や素子破壊を避けることができるモジュール構造を有する半導体装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のモジュール構造の主要部を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置（トレンチ構造）のモジュール構造の主要部を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置のモジュール構造の主要部を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置のモジュール構造の主要部を示す断面図である。
【図５】従来のＩＧＢＴのモジュール構造を示す断面図である。
【図６】従来のダイオードのモジュール構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０      ＩＧＢＴモジュール
１１      作動部
１２      ガードリング部
１３      半導体素子
１４      下部放熱板
１５      上部放熱板
１６      エミッタ電極
１７      金属
１８      金属
１９      接着剤
２０      パッシベーション膜
２１      隙間
２２      Ｎ型高抵抗層
２３      Ｎ＋型バッファ層
２４      Ｐ＋型ベース層
２５      Ｎ型エミッタ領域
２６      絶縁体
２７      ゲート電極
２８      コレクタ層
２９      コレクタ電極
３０      Ｐ型半導体層
３１      絶縁層
３４      基板
３５      半田
３６      半田
３７      半田
【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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