(57)【要約】      （修正有）【課題】低熱抵抗化が可能となり、かつ、短絡に対する対策がなされた半導体モジュールを提供すること。【解決手段】熱拡散部材２０は導体からなり、第１の主面２１と第２の主面２２を備える平板形状であり、第１の主面側２１に、配線電極１５及び導電性材料１４を介して半導体素子１１、１３が接合されている。絶縁層２５は、半導体素子１１、１３、配線電極１５の一部及び熱拡散部材２０の第１の主面２１及び側面２３、２４を覆っている。絶縁層２５からは配線電極１５の一端が引き出されており、熱拡散部材２０の厚さ方向において、熱拡散部材２０の第２の主面２２の外方に伸びる突出部を有している。熱拡散部材２０の第２の主面側２２に、上記突出部によって高さが確保された空間である冷却風流路３０が設けられている。【選択図】図１
2017220609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線電極と、
前記配線電極上に実装された半導体素子と、
前記半導体素子から発せられる熱を拡散する熱拡散部材と、
前記配線電極、前記半導体素子及び前記熱拡散部材を半導体モジュールの外部と絶縁する絶縁層とを備える半導体モジュールであって、
前記熱拡散部材は導体からなり、
前記熱拡散部材の形状は、第１の主面と第２の主面を備える平板形状であり、 
前記熱拡散部材の第１の主面側に、前記配線電極及び導電性材料を介して前記半導体素子が接合されており、
前記絶縁層は、前記半導体素子、前記配線電極の一部、及び、前記熱拡散部材の前記第１の主面及び側面を覆っており、
前記絶縁層からは前記配線電極の一端が引き出されており、
前記絶縁層は、前記熱拡散部材の厚さ方向において、前記熱拡散部材の第２の主面の外方に伸びる突出部を有しており、
熱拡散部材の第２の主面側に、前記突出部によって高さが確保された空間である冷却風流路が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
熱拡散部材の第２の主面側で冷却風流路を隔てて半導体モジュールに筐体フレームを取り付けるための取り付け部が、前記絶縁層の一部として設けられている請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
半導体モジュールに取り付ける筐体フレームは導体であり、
前記筐体フレームが半導体モジュールに取り付けられた場合に、
前記熱拡散部材の第２の主面と前記筐体フレームの間の冷却風流路の高さの最小値である空間距離をｄ１（ｍｍ）、
前記熱拡散部材の第２の主面から前記突出部の壁面に沿って前記筐体フレームに達するまでの距離の最小値である沿面距離をｄ２（ｍｍ）、
前記冷却風流路の絶縁破壊強度をＳ（Ｖ／ｍｍ）、
前記熱拡散部材と前記突出部の最大電位差をＶ（Ｖ）、
安全係数をａとすると、下記式（１）及び下記式（２）を満たす請求項２に記載の半導体モジュール。
ｄ１≧（Ｖ×ａ）／Ｓ    ・・・（１）
ｄ２≧（Ｖ×ａ）／Ｓ    ・・・（２）
【請求項４】
前記突出部を連結する連結部が設けられており、前記連結部は絶縁材料からなる請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記連結部は前記突出部と一体化された絶縁材料からなる請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記連結部は前記突出部とは別体の絶縁材料からなる請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記熱拡散部材は、炭素系構造体からなり、
前記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、前記炭素系構造体の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されており、
前記炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率が、前記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高い請求項１〜６のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記炭素系構造体には、前記層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域が設けられている請求項７に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記熱拡散部材は、ベース部とフィン部とからなる放熱フィンの形状を有しており、前記ベース部が前記熱拡散部材の第１の主面に、前記フィン部が前記熱拡散部材の第２の主面にそれぞれなるように半導体モジュール内に配置されている請求項１〜８のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項１０】
前記熱拡散部材は、金属材料と炭素系構造体の積層材料からなるベース部と、金属材料からなるフィン部とからなる放熱フィンの形状を有しており、
前記ベース部が前記熱拡散部材の第１の主面に、前記フィン部が前記熱拡散部材の第２の主面にそれぞれなるように半導体モジュール内に配置されており、
前記ベース部を構成する前記炭素系構造体は前記熱拡散部材の第１の主面側に位置しており、前記金属材料は前記フィン部側に位置しており、
前記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、前記炭素系構造体の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されており、
前記炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率が、前記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高い請求項１〜６のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項１１】
前記炭素系構造体には、前記層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域が設けられている請求項１０に記載の半導体モジュール。
【請求項１２】
前記熱拡散部材は、前記半導体素子の上面側及び下面側の両方に設けられており、上面側の熱拡散部材の第２の主面側、及び、下面側の熱拡散部材の第２の主面側のそれぞれに前記冷却風流路が設けられている請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項１３】
前記突出部は、半導体モジュールの４つのコーナー部に立設している請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスで用いられるパワーモジュールにおいては、さらなる大電流化、高密度化、高周波化の要求によりパワーデバイスがＳｉからＳｉＣ／ＧａＮへと置き換わることが予想されている。そして、パワーデバイスの置き換えに伴い、パワーデバイスが実装される配線基板には高放熱性（高熱伝導性、低熱抵抗性）及び高耐熱性が求められる。
【０００３】
上記要求に応えるため、従来のＰＣＢ基板やＣｕ金属基板に代えてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などのセラミック基板を用いることが検討されている。
また、特許文献１〜３には、高放熱性を達成するための基板として、グラファイトを用い、かつグラファイトの面方向（ＸＹ面）を基板の厚み方向（Ｚ方向）に配置する構造が開示されている。この構造により、厚み方向（Ｚ方向）の熱伝導性を向上させ、基板の裏面側に位置する空冷、水冷などの冷却システムにシリコーンゲルなどの接合材等を介して熱的に接続することにより放熱性を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１２−５３３８８２号公報
【特許文献２】特開２０１４−２２４５０号公報
【特許文献３】特開２０１２−２４８５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、グラファイトが、熱源と例えば放熱フィン（羽）のような熱放射（放熱、熱輻射）要素との間に配置されたとき、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）およびエポキシ基の樹脂材料が接着剤として各伝導層に使用されていたが、その接着剤による熱抵抗（ｈｅａｔ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が問題になっていたと記載されている。
また、複数の積層グラファイト・シートの構造体の少なくとも一部分を覆って各支持部分を形成する被覆工程と、次いでその被覆処理の後でスタック方向を横切って（ａｃｒｏｓｓ：を横断して、と交差して、にわたって）切断する切断工程が記載されている。そして、異方性熱伝導要素は、熱源からの熱を伝導することができる。積層グラファイト・シートの構造体は、熱源の表面に沿った（ａｌｏｎｇ）または対向する（ｏｐｐｏｓｅｄ：を向いた）層を形成しており、構造体はその周囲を支持部によって被覆され（覆われ）ていると記載されている。
このように、熱源とグラファイト構造体を接触させて熱を伝導させる構造は、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの接着剤が介在しないために熱抵抗が小さくなる利点はあるが、グラファイト構造体は電気伝導性があるため、ヒートシンクなどの金属と接触すると短絡してしまう。
特許文献１にはこの短絡に対する対策として、セラミック板を介して熱源とグラファイト構造体を熱結合させることが記載されているが、この方法ではセラミック板による熱抵抗が介在してしまい、低熱抵抗化が難しいという問題があった。また、グラファイト構造体の後部（背面）に配置されたヒートシンクとは固定手段のねじおよびナットで強く固定されていると記載されているが、接合材等を用いずに低接触熱抵抗で接触させることは難しいという問題があった。
また、特許文献２では、半導体素子とグラファイト構造体との間に絶縁層が設けられており、特許文献３では、半導体チップとグラファイト複合シートとの間に絶縁シートが設けられており、いずれも絶縁層が介在することにより低熱抵抗化が難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、低熱抵抗化が可能となり、かつ、短絡に対する対策がなされた半導体モジュール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】
【０００７】
上記目的を達成するための、本発明の半導体モジュールは、配線電極と、上記配線電極上に実装された半導体素子と、上記半導体素子から発せられる熱を拡散する熱拡散部材と、上記配線電極、上記半導体素子及び上記熱拡散部材を半導体モジュールの外部と絶縁する絶縁層とを備える半導体モジュールであって、上記熱拡散部材は導体からなり、上記熱拡散部材の形状は、第１の主面と第２の主面を備える平板形状であり、上記熱拡散部材の第１の主面側に、上記配線電極及び導電性材料を介して上記半導体素子が接合されており、上記絶縁層は、上記半導体素子、上記配線電極の一部、及び、上記熱拡散部材の上記第１の主面及び側面を覆っており、上記絶縁層からは上記配線電極の一端が引き出されており、上記絶縁層は、上記熱拡散部材の厚さ方向において、上記熱拡散部材の第２の主面の外方に伸びる突出部を有しており、熱拡散部材の第２の主面側に、上記突出部によって高さが確保された空間である冷却風流路が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の半導体モジュールでは、熱拡散部材は導体であり、熱拡散部材は配線電極及び導電性材料を介して半導体素子と接合されている。この構成であると熱拡散部材と半導体素子の間には熱抵抗の大きい絶縁層が介在しないので半導体素子から熱拡散部材に至るまでの熱抵抗を低くすることができる。
また、短絡に対する対策として、絶縁層が上記半導体素子、上記配線電極の一部、及び、上記熱拡散部材の上記第１の主面及び側面を覆っているため、これら絶縁層に覆われた部分について絶縁が確保される。熱拡散部材の第２の主面側には、絶縁層の突出部により高さが確保された空間である冷却風流路が設けられており、冷却風流路によって絶縁が確保される。
また、冷却風流路には冷却風を流すことができるため、熱拡散部材からの放熱を促進させることができる。冷却風としては、周囲空気の温度上昇による自然対流や、ファン等の送風装置や半導体モジュールを車に取り付けた場合の走行風等の強制対流を使用することができる。
【０００９】
本発明の半導体モジュールでは、熱拡散部材の第２の主面側で冷却風流路を隔てて半導体モジュールに筐体フレームを取り付けるための取り付け部が、上記絶縁層の一部として設けられていることが好ましい。
取り付け部により、半導体モジュールを筐体フレームに取り付けて使用することができる。
筐体フレームを取り付けると、熱拡散部材の第２の主面、絶縁層の突出部及び筐体フレームで冷却風流路が囲まれるため、冷却風の風速を向上させることができる。
【００１０】
また、本発明の半導体モジュールでは、半導体モジュールに取り付ける筐体フレームは導体であり、上記筐体フレームが半導体モジュールに取り付けられた場合に、上記熱拡散部材の第２の主面と上記筐体フレームの間の冷却風流路の高さの最小値である空間距離をｄ１（ｍｍ）、上記熱拡散部材の第２の主面から上記突出部の壁面に沿って上記筐体フレームに達するまでの距離の最小値である沿面距離をｄ２（ｍｍ）、上記冷却風流路の絶縁破壊強度をＳ（Ｖ／ｍｍ）、上記熱拡散部材と上記突出部の最大電位差をＶ（Ｖ）、安全係数をａとすると、下記式（１）及び下記式（２）を満たすことが好ましい。
ｄ１≧（Ｖ×ａ）／Ｓ    ・・・（１）
ｄ２≧（Ｖ×ａ）／Ｓ    ・・・（２）
上記式（１）及び（２）を満たすようにすると、ともに導体である熱拡散部材と筐体フレームの間の電気的な絶縁が冷却風流路によって充分に確保される。
【００１１】
本発明の半導体モジュールにおいては、上記突出部を連結する連結部が設けられており、上記連結部は絶縁材料からなることが好ましい。
連結部が絶縁材料からなると、熱拡散部材の第２の主面との間の空間距離及び沿面距離が小さくても熱拡散部材と連結部の間での短絡は生じないので、冷却風流路の高さを低くすることができ、半導体モジュールを小型化することが可能となる。
また、上記連結部は上記突出部と一体化された絶縁材料からなってもよく、上記突出部とは別体の絶縁材料からなっていてもよい。
連結部を突出部と一体化された絶縁材料とする場合、連結部と突出部を含む絶縁層を一度にモールド成形等で形成することができるため作業効率が良い。また、連結部と突出部の境界での強度低下を考慮する必要がない。
連結部を突出部とは別体の絶縁材料とすると、連結部の材料特性を突出部とは異ならせることができる。例えば突出部を構成する絶縁層に使用される材料（通常は樹脂材料）よりも熱伝導率の高いセラミックを連結部の材料として使用すると、連結部からの放熱をより促進させることができるために好ましい。
【００１２】
本発明の半導体モジュールにおいて、上記熱拡散部材は、炭素系構造体からなり、上記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記炭素系構造体の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されており、上記炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率が、上記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高いことが好ましい。
炭素系構造体からなる熱拡散部材の炭素系材料の面方向が熱拡散部材の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されていると、熱拡散部材の厚さ方向に沿って高い熱伝導性を発揮することができる。
【００１３】
本発明の半導体モジュールにおいて、上記炭素系構造体には、上記層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域が設けられていることが好ましい。
層状構造体の層間距離は、通常は各層間で一定であるが、層間距離拡張領域を設けることによって、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱拡散部材の線膨脹係数が低くなる。その結果、熱拡散部材と配線電極との線膨脹係数差を小さくすることができて、配線電極の反りや剥がれを防止することができる。
【００１４】
本発明の半導体モジュールにおいて、上記熱拡散部材は、ベース部とフィン部とからなる放熱フィンの形状を有しており、上記ベース部が上記熱拡散部材の第１の主面に、上記フィン部が上記熱拡散部材の第２の主面にそれぞれなるように半導体モジュール内に配置されていることが好ましい。
熱拡散部材の形状がこのような形であると、フィン部により熱拡散部材の表面積が稼げるため、熱拡散部材からの放熱を促進させることができる。
なお、本明細書で説明する半導体モジュールにおいて、熱拡散部材が放熱フィンの形状を有している場合も、全体としてみたときに第１の主面と第２の主面に相当する広い面をその上下に有している形状であれば、平板形状の熱拡散部材に含まれる。
【００１５】
本発明の半導体モジュールにおいて、上記熱拡散部材は、金属材料と炭素系構造体の積層材料からなるベース部と、金属材料からなるフィン部とからなる放熱フィンの形状を有しており、上記ベース部が上記熱拡散部材の第１の主面に、上記フィン部が上記熱拡散部材の第２の主面にそれぞれなるように半導体モジュール内に配置されており、上記ベース部を構成する上記炭素系構造体は上記熱拡散部材の第１の主面側に位置しており、上記金属材料は上記フィン部側に位置しており、上記炭素系構造体は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体の多層構造体であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、上記炭素系構造体の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されており、上記炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率が、上記層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高いことが好ましい。
ベース部を構成する炭素系構造体が熱拡散部材の第１の主面側に位置していると、炭素系構造体によって半導体素子からの熱が熱拡散部材の厚さ方向に速やかに伝わる。
炭素系構造体はチッピング等が生じるおそれがあるので金属材料によりフィン部を形成することによって、熱拡散部材全体の強度が高くなる。また、ベース部において金属材料をフィン部側に配置することによって、ベース部とフィン部の間の結合を強くすることができる。
また、上記構成の半導体モジュールにおいて、上記炭素系構造体には、上記層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域が設けられていることが好ましい。
層状構造体の層間距離は、通常は各層間で一定であるが、層間距離拡張領域を設けることによって、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱拡散部材の線膨脹係数が低くなる。その結果、熱拡散部材と配線電極との線膨脹係数差を小さくすることができて、配線電極の反りや剥がれを防止することができる。
【００１６】
本発明の半導体モジュールにおいて、上記熱拡散部材は、上記半導体素子の上面側及び下面側の両方に設けられており、上面側の熱拡散部材の第２の主面側、及び、下面側の熱拡散部材の第２の主面側のそれぞれに上記冷却風流路が設けられていることが好ましい。
上記構成であると、半導体素子の上面側及び下面側の両方において熱拡散部材による放熱を行うことができ、それぞれの熱拡散部材と周囲の短絡も防止される。
【００１７】
本発明の半導体モジュールにおいて、上記突出部は、半導体モジュールの４つのコーナー部に立設していることが好ましい。
上記構成であると、突出部と突出部の間の４方向が冷却風流路の開口部となるので、冷却風が流れやすく、放熱効率が向上する。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、低熱抵抗化が可能となり、かつ、短絡に対する対策がなされた半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）は、本発明の半導体モジュールの一例を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す半導体モジュールを模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す斜視図である。
【図１１】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の半導体モジュールについて説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
以下に示す各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもない。
以下において記載する本発明の個々の好ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
【００２１】
＜半導体モジュールの第１実施形態＞
まず、半導体モジュールの構成の一例について簡単に説明する。
図１（ａ）は、本発明の半導体モジュールの一例を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す半導体モジュールを模式的に示す斜視図である。
【００２２】
図１（ａ）に示すように、半導体モジュール１は、コレクタ電極１５（配線電極）、エミッタ電極１７（配線電極）及びゲート電極１９（配線電極）と、配線電極上に実装された半導体素子１１及び半導体素子１３と、導体からなる熱拡散部材２０を備える。
熱拡散部材２０は、後述の接合方法によりコレクタ電極１５に接合されている。また、コレクタ電極１５は、接合材１４を介して半導体素子１１及び半導体素子１３に電気的に接合されている。
半導体素子１１及び半導体素子１３は、接合材１６を介してエミッタ電極１７及びゲート電極１９にも電気的に接合されている。
【００２３】
熱拡散部材２０は、半導体素子１１及び半導体素子１３から発せられる熱を拡散する金属プレート（ヒートシンク）である。なお、熱拡散部材２０がコレクタ電極１５と同じ金属の場合は、両方の機能を備えた一体化されたものを用いてもよい。
熱拡散部材２０は、半導体素子１１が実装される側の主面である第１の主面２１及び反対側の主面である第２の主面２２を備える平板形状である。
【００２４】
絶縁層は、配線電極、半導体素子及び熱拡散部材を半導体モジュールの外部と絶縁する役割を有する。図１（ａ）に示す絶縁層２５は、半導体素子１１及び半導体素子１３の周囲を覆っており、コレクタ電極１５、エミッタ電極１７及びゲート電極１９の一部を覆っていて絶縁層２５から各配線電極が引き出されている。
なお、絶縁層が半導体素子の周囲を覆っているということは、絶縁層が半導体素子の電極との接合部以外を覆っているということを意味している。
絶縁層２５は、熱拡散部材２０の第１の主面２１、側面２３及び側面２４を覆っているが、第２の主面２２は覆っていない。絶縁層２５は、熱拡散部材２０の厚さ方向において、熱拡散部材の第２の主面２２の下方側に伸びる突出部２６を有しており、熱拡散部材の第２の主面２２の下方に、突出部２６によって高さが確保された空間である冷却風流路３０が設けられている。
【００２５】
また、突出部２６の先端部には、突出部２６に対して直角に外方に延びた取り付け部２７ａが設けられている。半導体モジュール１はこの取り付け部２７ａにおいてねじ２８を介して筺体フレーム２９と固定される。
なお、ねじの代わりにリベット等でもよい。筺体フレームの材質にもよるが接着剤等でもよい。
そのため、冷却風流路３０は、絶縁層の突出部２６、熱拡散部材の第２の主面２２及び筐体フレーム２９に囲まれた空間となっている。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、冷却風流路３０は開口部３１ａと開口部３１ｂを備えており、開口部３１ａから開口部３１ｂに向けて（あるいは開口部３１ｂから開口部３１ａに向けて）冷却風が導入されて熱拡散部材２０を直接冷却する。冷却風としては、周囲空気の温度上昇による自然対流や、ファン等の送風装置を設けた場合や半導体モジュールを車に取り付けた場合の走行風等の強制対流を使用することができる。図１（ｂ）には開口部３１ａから開口部３１ｂに向けて流れる冷却風の向きを矢印で示している。
図１（ｂ）には、コレクタ電極１５、エミッタ電極１７及びゲート電極１９がそれぞれ絶縁層２５から引き出されている様子も示している。
なお、図１（ａ）に示すコレクタ電極１５、エミッタ電極１７及びゲート電極１９は図１（ｂ）に照らすと同一断面に存在しないように見えるが、各電極が半導体素子に電気的に接続されていることを説明するために、模式的に同じ断面図に示している。
【００２７】
半導体素子１１及び半導体素子１３としては、ダイオード、パワートランジスタ（バイポーラトランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ）、サイリスタなどのパワーデバイスを好ましく用いることができる。また、半導体材料としてはＳｉだけでなくＳｉＣやＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３などを好ましく用いることができる。
配線電極はＣｕまたはＡｌの単体あるいは合金が用いられることが好ましい。本実施形態では無酸素銅を用いている。また、表面にＮｉめっき等が施されることが好ましい。接合材１４及び接合材１６としては、Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ａｕ合金、Ｚｎ合金などの高融点半田合金や融点変動材料（ＴＬＰ）、導電性樹脂やＡｇナノ粒子、Ｃｕナノ粒子などの焼結接合材料等が好ましく用いられる。本実施形態ではＳｎ−Ａｇ−ＣｕのＰｂフリー半田合金を用いている。
【００２８】
熱拡散部材２０は、平板状を有し、コレクタ電極１５の半導体素子１１及び半導体素子１３が実装されている面とは反対側の面に電気的に接合されている。熱拡散部材２０とコレクタ電極１５との間は、拡散接合、溶接、熱圧着、ろう付け、または半田などにより接合される。この実施形態における熱拡散部材２０としてはＣｕまたはＡｌの単体あるいは合金が用いられることが好ましい。本実施形態では無酸素銅を用いている。
【００２９】
絶縁層２５としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂などの高分子樹脂や、アルミナ、シリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などのセラミックのフィラー、またはＡｌ、Ａｇなどの金属のフィラーを上記高分子樹脂に添加した複合樹脂などを用いることが好ましい。本実施形態ではエポキシ樹脂にアルミナフィラーを添加した複合樹脂を用いている。
また、絶縁層２５の形成方法としては、トランスファーモールドやポッティング等を用いることができる。本実施形態ではトランスファーモールドを用いている。このとき、金型や多段モールド等により、熱拡散部材２０の第２の主面２２が露出するように被覆するとともに、熱拡散部材２０の厚さ方向において熱拡散部材の側面２３及び側面２４から熱拡散部材の第２の主面２２の下方側に突出する突出部２６を形成する。
これにより、突出部２６と熱拡散部材の第２の主面２２とでいわゆるピロティ状の空間が形成されてその空間が冷却風流路３０となる。
【００３０】
筐体フレーム２９は、Ｃｕ、Ａｌ、ＳＵＳなどの金属、合金、樹脂、セラミック等の材料からなり、インバータやＤ／Ｄコンバータといった電力変換装置の筺体部分や自動車内部のダクトなどのフレームである。本実施形態ではＳＵＳからなる筺体フレーム２９を用いている。
本明細書において、筐体フレームが図示されている各図面については、半導体モジュールに筐体フレームが取り付けられた状態を模式的に示しているが、筐体フレームは本発明の半導体モジュールの必須の構成要素ではない。
なお、半導体モジュール１は、必ずしも筺体フレーム２９に固定されなくてもよく、例えば電源装置の回路基板上に固定されてもよい。
筺体フレーム２９を樹脂やセラミックにした場合には、筺体フレーム２９側で絶縁性を確保できる。そのため、筐体フレーム２９と熱拡散部材２０の間の距離が小さくてもアーク放電等が生じるおそれがないため、半導体モジュールの小型化が可能となる。
筐体フレーム２９を導体とした場合は、その表面に樹脂層又は樹脂コーティングを設けることによって絶縁性を確保するようにしてもよい。
【００３１】
熱拡散部材２０は、コレクタ電極１５と絶縁層を介さずに接合されているため、筐体フレーム２９が金属等の導電材料である場合には、熱拡散部材２０と筐体フレーム２９の間で電気的な絶縁を取る必要がある。
以下、熱拡散部材と筐体フレームの間で絶縁を取る場合に考慮すべき空間距離及び沿面距離について説明する。
図１（ａ）には、空間距離ｄ１と沿面距離ｄ２を示している。空間距離ｄ１は、熱拡散部材２０の第２の主面２２と筐体フレーム２９の間の冷却風流路３０の高さの最小値である。沿面距離ｄ２は、熱拡散部材２０の第２の主面２２から突出部２６の壁面に沿って筐体フレーム２９に達するまでの距離の最小値である。図１（ａ）に示す半導体モジュール１では空間距離ｄ１と沿面距離ｄ２は同じであるが、後述する実施形態に係る半導体モジュールでは空間距離ｄ１と沿面距離ｄ２が異なるものもある。
熱拡散部材と筐体フレームの間で絶縁を取るためには、空間距離ｄ１及び沿面距離ｄ２を大きくすることが好ましい。
具体的には、冷却風流路の絶縁破壊強度をＳ（Ｖ／ｍｍ）、熱拡散部材と突出部の最大電位差をＶ（Ｖ）、安全係数をａとすると、下記式（１）及び下記式（２）を満たすことが好ましい。
ｄ１≧（Ｖ×ａ）／Ｓ    ・・・（１）
ｄ２≧（Ｖ×ａ）／Ｓ    ・・・（２）
例として、式（１）及び式（２）において、２５０≦Ｖ≦１７００、３０００≦Ｓ≦３００００、ａ≧３の場合に、
０．０１ａ≦ｄ１≦０．５ａ
及び
０．０１ａ≦ｄ２≦０．５ａ
であることが好ましい。なお、安全係数ａは絶縁性のためのマージンであり、数値が大きいほど絶縁性が確保される。空間距離、沿面距離については、ＩＥＣ６０６６４−１などの安全規格があり、使用する電気機器の基準に基づいて安全係数ａを設定することができる。
【００３２】
なお、本発明の半導体モジュールにおいて、半導体素子に対して熱拡散部材及び冷却風流路が設けられる位置は下方側に限定されるものではなく、上方側であってもよい。本発明の半導体モジュールでは絶縁層の突出部は熱拡散部材の外方に伸びる部分として定めているが、この「外方」は上方又は下方であることを意味している。
【００３３】
＜半導体モジュールの第２実施形態＞
図２は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図２に示す半導体モジュール２は、突出部２６の一部が外側に向けて切り取られた切欠き部２７ｂが設けられている点が図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と異なる。その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
切欠き部２７ｂが設けられていると、熱拡散部材２０の第２の主面２２から突出部２６の壁面に沿って筐体フレーム２９に達するまでの距離の最小値である沿面距離ｄ２が、切欠き部が設けられていない場合と比べて大きくなる。
切欠き部を設けることによって、沿面距離ｄ２＞空間距離ｄ１となる。
沿面距離が大きくなることによって、熱拡散部材と筐体フレームの間の絶縁性が向上する。
また、沿面距離を大きくとるような構造（冷却風流路の幅を拡げた構造）にすることで冷却風流路の両端面（両サイド）の流路が拡がる。その結果、突出部２６による冷却風の壁面抵抗を低減することができる。
また、空間距離ｄ１及び沿面距離ｄ２が上述した式（１）及び式（２）を満たすように切欠き部を設けることが好ましい。
【００３４】
＜半導体モジュールの第３実施形態＞
図３は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図３に示す半導体モジュール３は、熱拡散部材２０の第２の主面２２に絶縁膜３３が設けられている点が図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と異なる。その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
絶縁膜３３が持つ絶縁破壊強度により、冷却風流路３０の絶縁破壊強度が向上する。よって、空間距離ｄ１、沿面距離ｄ２を小さくすることができ、半導体モジュールの小型化が可能となる。
なお、絶縁膜３３を形成すると、熱拡散部材２０から冷却風流路３０までの放熱経路において、絶縁膜がない場合に比べて熱抵抗が大きくなってしまう。但し、絶縁膜を塗布コーティングや溶射等による薄い膜とすることで、いわゆる絶縁基板として用いられるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などのセラミック基板を使用する場合よりは熱抵抗の小さい半導体モジュールとすることができる。
【００３５】
＜半導体モジュールの第４実施形態＞
図４は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図４に示す半導体モジュール４は、熱拡散部材の材料が図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と異なり、熱拡散部材が炭素系構造体４０からなる。
その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
また、半導体モジュール４としては、図２に示す半導体モジュール２のように、突出部２６に切欠き部２７ｂを設けた形態を示している。
【００３６】
炭素系構造体４０は、炭素系材料からなる平面形状の層状構造体が多層構造を形成してなる集合体（多層構造体）であって、各層状構造体の平面形状が広がる方向である面方向が、炭素系構造体の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されており、炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率が、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率より高い。
炭素系構造体からなる熱拡散部材の炭素系材料の面方向が熱拡散部材の厚さ方向となるように半導体モジュール内に配置されていると、熱拡散部材の厚さ方向に沿って高い熱伝導性を発揮することができる。そのため、半導体モジュールの低熱抵抗化が可能となる。
【００３７】
炭素系材料はグラファイトを含んでいる。グラファイトとしては天然グラファイト及び人造グラファイトが挙げられ、いずれも六角形に並び網目状の面構造を有する炭素原子がファンデルワールス力により層状に集合した層状構造体の結晶（集合体）である。
また、炭素系構造体は、ＣＶＤ法による人造グラファイトからなることが好ましい。本実施形態ではＣＶＤ法による人造グラファイトを用いている。
ＣＶＤ法による人造グラファイトは、炭化水素ガスを高温で熱分解するＣＶＤ法により製造された人造グラファイトである。ＣＶＤ法による人造グラファイトは、不純物が含まれる天然グラファイトと異なり、結晶の均一性が良く不純物が殆ど含まれない(通常は不純物量が１ｐｐｍ以下である）。また、人造グラファイトとしてはポリイミドシートを高温で熱分解してグラファイト化させることにより製造されたものもあるが、製造工程におけるガス抜きやプレスの影響により１００μｍ以上の厚いシートにおいては熱伝導率が低くなる傾向がある。一方、ＣＶＤ法による人造グラファイトは、厚みに関わらず均質な層状構造体の結晶となるので好ましい。
ここで、炭素系構造体として用いられるグラファイトとしては、高配向性熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ：Ｈｉｇｈｌｙ  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ）を用いることが好ましい。具体的には米国ＭＩＮＴＥＱ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．製の商品名「ＰＹＲＯＩＤ  ＨＴ」を用いることが好ましい。
【００３８】
図４には、層状構造体４４を細い実線で示しており、図４中で両矢印Ｂで示す方向に層状構造体が多層構造を形成している。そして、各層状構造体４４の平面形状が広がる方向である面方向（図４に両矢印Ａで示す方向）が、炭素系構造体４０の厚さ方向となっている。
炭素系材料からなる層状構造体が多層構造を形成している場合、層状構造体の面方向に沿った熱伝導率λＡは高い値となり、多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢは低い値となる。
【００３９】
層状構造体の面方向が、炭素系構造体の厚さ方向と同じ方向となっていると、炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率は層状構造体の面方向に沿った熱伝導率λＡと同じとなり、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢよりも高くなる。
そして、半導体モジュール内に配置された炭素系構造体からなる熱拡散部材は、熱拡散部材の第１の主面側に配置された半導体素子から発せられた熱を熱拡散部材の厚さ方向に沿って熱拡散部材の第２の主面側に設けられた冷却風流路へ高い熱伝導率をもって熱伝導させることができるので、放熱性に優れる。
【００４０】
炭素系構造体の厚さ方向に沿った熱伝導率λＡは、４００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、実用上は１７００Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。また、炭素系構造体の、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱伝導率λＢも大きいに越したことはないが、実用上は３〜３０Ｗ／ｍ・Ｋである。
炭素系構造体の熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により、装置としては例えばＬＦＡ４６７（ＮＥＴＺＳＣＨ製）を用いて測定することができる。
【００４１】
＜半導体モジュールの第５実施形態＞
図５は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図５に示す半導体モジュール５は、熱拡散部材として図４と同様の炭素系構造体４０を備えている。炭素系構造体４０は、ベース部４１とフィン部４２とからなる放熱フィンの形状を有しており、ベース部４１が熱拡散部材の第１の主面に、フィン部４２が熱拡散部材の第２の主面にそれぞれなるように半導体モジュール内に配置されている。
なお、ベース部とフィン部を備える熱拡散部材としては、炭素系構造体に限定されるものではなく、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１において説明したような金属プレート（ヒートシンク）からなる熱拡散部材であってもよい。
その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
また、半導体モジュール５としては、図２に示す半導体モジュール２のように、突出部２６に切欠き部２７ｂを設けた形態を示している。
熱拡散部材がフィン部を備える場合の空間距離ｄ１及び沿面距離ｄ２はそれぞれ図５に示す距離であり、フィン部の先端から筐体フレームまでの距離により定める。
【００４２】
＜半導体モジュールの第６実施形態＞
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図６（ａ）に示す半導体モジュール６は、熱拡散部材としての炭素系構造体５０を備えている。
炭素系構造体５０は、その基本構造は図４において説明した炭素系構造体４０と同様であるが、層状構造体５４間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きい層間距離拡張領域５５が設けられている点で異なる。
その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
層間距離拡張領域が設けられている炭素系構造体としては、本願の出願人が先に出願した特願２０１６−０１９１５６号に記載されたものを使用することができる。
層状構造体の層間距離は、通常は各層間で一定であるが、層間距離拡張領域を設けることによって、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った熱拡散部材の線膨脹係数が低くなる。その結果、熱拡散部材と配線電極との線膨脹係数差を小さくすることができて、配線電極の反りや剥がれを防止することができる。
【００４３】
層状構造体間の層間距離は、層状構造体が多層構造を形成する方向（図６（ａ）中、両矢印Ｂで示す方向）に沿った層間距離であり、層間距離拡張領域ではない領域における通常の層状構造体と層状構造体の間の層間距離Ｄａｂは３．３５４Å以上であることが好ましく、３．３５６Å以下であることが好ましい。
層間距離拡張領域は、層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きくなっている領域である。
層間距離拡張領域での層状構造体間の層間距離Ｄｃｄは０．１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以下であることが好ましい。なお、Ｄｃｄは、層間距離拡張領域を形成させるための熱処理工程の熱処理条件によって大きく変化させることができる。
【００４４】
層間距離拡張領域以外の領域、すなわち、層状構造体間の層間距離が相対的に小さくなっている領域では、複数の層状構造体が隣接して層状構造体ブロックを構成している。
１つの層状構造体ブロックは後述する熱処理工程により５０μｍ以上のサイズ（図６（ａ）中、両矢印Ｂで示す方向での距離）を有していることが好ましく、８０μｍ以下のサイズを有していることが好ましい。
また、１つの層状構造体ブロックには数万層以上の層状構造体が含まれていることが好ましく、数十万層以上の層状構造体が含まれていることも好ましい。なお、層状構造体ブロックのサイズは後述する熱処理工程の熱処理条件によって大きく変化させることができる。
言い換えると、層間距離拡張領域は、複数の層状構造体からなる層状構造体ブロック間の空間であるともいえる。
各層状構造体間の層間距離は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定することができる。
【００４５】
炭素系構造体の線膨脹係数、特に、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った線膨脹係数は、層間距離拡張領域を設けることによって変化する。
炭素系構造体の線膨脹係数は、層間距離拡張領域が設けられることによって、層間距離拡張領域が設けられていない炭素系構造体に比べて低くなる。層間距離拡張領域が設けられている炭素系構造体の、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った線膨脹係数は、層状構造体と層間距離拡張領域とを総合的に設計した場合に、配線電極自体の線膨張係数（例えばＣｕの１７ｐｐｍ／Ｋ）と同等であることが好ましく、配線パターンや配線電極の厚み等を考慮した配線電極の面方向の線膨張係数と同等であることがさらに好ましい。
具体的には、炭素系構造体に層間距離拡張領域が設けられることによって、層状構造体が多層構造を形成する方向に沿った線膨脹係数（グラファイトの場合２５ｐｐｍ／Ｋ）と、層間距離拡張領域の線膨張係数（グラファイトの場合実質的に０ｐｐｍ／Ｋ）とを総合的に設計することで、炭素系構造体と上記配線電極との線膨脹係数との差の絶対値が１ｐｐｍ／Ｋ以下となるように設計することが好ましい。炭素系構造体及び配線電極を構成する材料の線膨脹係数は、線膨張係数測定装置（ＴＭＡ）により測定することができる。
【００４６】
また、炭素系構造体の少なくとも一方の主面には、各層状構造体と接合される接合層をさらに備えていることが好ましい。接合層は、金属又はその合金であることが好ましく、金属としてはＴｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。特にＴｉ（線膨張係数８ｐｐｍ／Ｋ）のような活性金属であることが好ましい。Ｔｉを用いた場合には、後述する熱処理工程において層状構造体との間にチタンカーバイド（ＴｉＣ）が形成されて強固に接合されるので好ましい。
接合層が備えられていると、各層状構造体と接合層が結合することにより層状構造体間の層間距離が固定され、層間距離拡張領域が維持される。
また、炭素系構造体に接合層と層間距離拡張領域とが形成されることにより、接合層が厚さ方向の下方から力を加えられた場合に、接合層を板バネのように上に凸に湾曲させることが可能である。このような湾曲可能な構造を有することで、配線電極と炭素系構造体との線膨張の差による変形が生じた場合でも、炭素系構造体による応力緩和が可能となる。
【００４７】
図６（ｂ）には、炭素系構造体５０が、図５に示す半導体モジュール５と同様にベース部５１とフィン部５２とからなる放熱フィンの形状を有している形態の半導体モジュール６ｂを示している。ベース部５１が熱拡散部材の第１の主面に、フィン部５２が熱拡散部材の第２の主面にそれぞれなるように半導体モジュール内に配置されている。
【００４８】
層間距離拡張領域が設けられている炭素系構造体は、熱処理によって層状構造体間の層間距離の一部を拡張させて層間距離拡張領域を設ける熱処理工程を経て製造することができる。
まず、層状構造体が多層構造を形成してなり、層状構造体の面方向が厚さ方向に平行になっている平板形状の集合体を準備する。平板形状の集合体として、ベース部とフィン部からなる放熱フィンの形状を有しているものを準備しておいてもよい。フィン部の形成は機械加工によって行うことができる。なお、フィン部の形成は後述する熱処理後に行ってもよい。
次に、平板形状の集合体の一方の主面に接合層を形成する。接合層の形成は、薄板状の金属シートを用いたり、金属ペーストを印刷したりすることにより行うことが好ましい。特に薄板状の金属シートを用いる場合は、比較的肉厚の金属シートを用意することができるので、後述する熱処理工程において層状構造体と接合層との線膨張係数の差が大きい場合でも接合層が途切れたりせず維持されるので好ましい。
接合層としてはＴｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１種であることが好ましい。
接合層の厚みは５μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以下であることが好ましい。機械的強度を考慮して、１０μｍ以上であることがより好ましい。
【００４９】
熱処理工程では、接合層を設けた平板形状の集合体に対して、真空炉で熱処理を行う。
熱処理を行うことにより、平板形状の集合体を加熱膨脹させるとともに、層状構造体と接合層とを液相拡散接合させる。
熱処理は６００℃以上で行うことが好ましく、９００℃以下で行うことが好ましい。７５０℃以上で行うことがより好ましく、８８０℃以下で行うことがより好ましい。
熱処理温度は接合層の溶融開始温度や所望の寸法等により適宜設定される。
また、熱処理時間（最高温度での保持時間）は、０．５時間以上であることが好ましく、２℃時間以下であることが好ましい。
熱処理時間は所望の寸法等により適宜設定される。
また、集合体を所定形状の治具に収容し、かつ上下方向に加圧された状態で熱処理を行うことが好ましい。
【００５０】
熱処理により、平板形状の集合体は、層状構造体が多層構造を形成する方向に大きく膨脹する。これは、層状構造体が多層構造を形成する方向の線膨脹係数が、他の方向の線膨脹係数と比べて大きいためである。この膨張率は、膨張前の長さをＬ１、膨張後の長さをＬ２とすると、１．０１×Ｌ１＜Ｌ２＜１．１×Ｌ１とすることが機械的強度を維持する上で好ましい。
ちなみに、グラファイトについては層状構造体が多層構造を形成する方向の線膨脹係数は２５ｐｐｍ／Ｋであり、他の方向の線膨張係数が０．６ｐｐｍ／Ｋである。
【００５１】
層状構造体の熱膨張は、層状構造体間で均一に生じるのではなく、複数の層状構造体毎に、層状構造体間の層間距離が他の領域における層間距離に比べて大きくなっている領域が生じる。このような熱膨脹の結果、層間距離拡張領域が形成され、また、層状構造体ブロックが形成される。そして、層間距離拡張領域が形成された結果、層状構造体が多層構造を形成する方向の寸法が増大する。
なお、熱処理温度、熱処理時間、集合体を収容する治具の寸法等を変更することにより、寸法の増大の程度を適宜変更できる。
以上の工程によって、層間距離拡張領域が設けられている炭素系構造体を製造することができ、本発明の半導体モジュールにおける熱拡散部材として使用することができる。
【００５２】
＜半導体モジュールの第７実施形態＞
図７は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図７に示す半導体モジュール７は、図４に示す半導体モジュール４と同様に、熱拡散部材として炭素系構造体４０を備えている。炭素系構造体４０は、ベース部４１とフィン部４２とからなる放熱フィンの形状を有している。但し、炭素系構造体４０の端部４０ａがフィン部４２ではなくベース部４１となっている点で図４に示す半導体モジュール４と異なる。
なお、炭素系構造体の端部４０ａ（熱拡散部材の端部）は、絶縁層の突出部に接する部分である。その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
炭素系構造体の端部４０ａをベース部とすることによって、沿面距離ｄ２が大きくなるため、熱拡散部材と筐体フレームの間での絶縁性が向上する。
また、熱拡散部材として、図６（ｂ）に示す半導体モジュール６ｂと同様に、層間距離拡張領域が設けられている炭素系構造体５０を使用してもよい。
【００５３】
＜半導体モジュールの第８実施形態＞
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図８（ａ）に示す半導体モジュール８では、熱拡散部材７０は、金属材料と炭素系構造体の積層材料からなるベース部７１と、金属材料からなるフィン部７２とからなる放熱フィンの形状を有している。
そして、ベース部７１が熱拡散部材７０の第１の主面に、フィン部７２が熱拡散部材の第２の主面にそれぞれなるように半導体モジュール８内に配置されている。
ベース部７１は、炭素系構造体４０と金属材料６０の積層体であり、炭素系構造体４０が熱拡散部材７０の第１の主面側に位置しており、金属材料６０は熱拡散部材７０のフィン部側に位置している。
フィン部７２は、ベース部の一部を構成する金属材料６０と同じ金属材料からなることが好ましい。
熱拡散部材を構成する金属材料としては、銅又はアルミニウムを用いることが放熱性の向上の観点から好ましい。
その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
【００５４】
図８（ａ）に示す半導体モジュール８における炭素系構造体としては、図４に示す炭素系構造体と同じ炭素系構造体４０を使用することができる。
ベース部を構成する炭素系構造体が熱拡散部材の第１の主面側に位置していると、炭素系構造体によって半導体素子からの熱が熱拡散部材の厚さ方向に速やかに伝わる。
炭素系構造体はチッピング等が生じるおそれがあるので金属材料によりフィン部を形成することによって、熱拡散部材全体の強度が高くなる。また、ベース部において金属材料をフィン部側に配置することによって、ベース部とフィン部の間の結合を強くすることができる。
炭素系構造体と金属材料の接合は、炭素系構造体にＡｕやＮｉなどのメタライズを施した後に拡散接合、溶接、熱圧着、ろう付け、または半田などを行ったり、炭素系構造体と金属材料の間にＴｉなどの活性金属を介在させて熱処理することにより行うことができる。
【００５５】
図８（ｂ）には、図８（ａ）に示す半導体モジュール８における炭素系構造体として図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す層間距離拡張領域を備えた炭素系構造体５０を使用した例である半導体モジュール８ｂを示している。半導体モジュール８ｂの構成は、炭素系構造体の構成が異なる他は半導体モジュール８と同様である。
【００５６】
また、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す半導体モジュール８及び半導体モジュール８ｂでは、図７に示す半導体モジュール７と同様に、熱拡散部材７０の端部がフィン部７２ではなくベース部７１となっているが、熱拡散部材７０の端部がフィン部７２となっていてもよい。
【００５７】
＜半導体モジュールの第９実施形態＞
図９は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。
図９に示す半導体モジュール９は、熱拡散部材が半導体素子の上面側と下面側の両方に設けられており、上面側冷却風流路および下面側冷却風流路が形成されている点でこれまでの実施形態と異なる。
具体的には、半導体素子１１及び半導体素子１３の上面側に、エミッタ電極１７に接する位置に炭素系構造体１４０からなる熱拡散部材が設けられている。熱拡散部材の構成としては図７に示す半導体モジュール７と同様のものを示しているが、この熱拡散部材に限定されるものではない。
熱拡散部材の厚さ方向において第２の主面１２２の上方側には絶縁層１２５の突出部１２６が設けられており、突出部１２６、熱拡散部材の第２の主面１２２及び筐体フレーム１２９で囲まれた上面側冷却風流路１３０が形成されている。
炭素系構造体１４０、絶縁層１２５、突出部１２６、取り付け部１２７ａ及びねじ１２８の構成は、それぞれ図７に示す半導体モジュール７における対応する構成と同様である。
このように、半導体素子の上面側と下面側の両方に熱拡散部材が設けられてそれぞれに冷却風流路が形成されることにより、さらなる低熱抵抗化が可能となる。
【００５８】
＜半導体モジュールの第１０実施形態＞
図１０は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す斜視図である。
図１０に示す半導体モジュール１０では、絶縁層の突出部２６ａ、突出部２６ｂ、突出部２６ｃ及び突出部２６ｄが、半導体モジュールの４つのコーナー部に立設している。そして、突出部間には冷却風流路の開口部が４か所（開口部３１ａ、開口部３１ｂ、開口部３１ｃ及び開口部３１ｄ）設けられている。なお、立設させる突出部の数は４つに限らず、立設させる突出部の位置はコーナー部に限らない。
図１０には開口部３１ａから開口部３１ｂに向けて流れる冷却風の向き、及び、開口部３１ｃから開口部３１ｄに向けて流れる冷却風の向きを矢印で示している。
このような構成であると、突出部と突出部の間の４方向が冷却風流路の開口部となるので、冷却風が流れやすく、放熱効率が向上する。
その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
【００５９】
＜半導体モジュールの第１１実施形態＞
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、本発明の半導体モジュールの別の一例を模式的に示す斜視図である。
図１１（ａ）に示す半導体モジュール１１１では、突出部２６を連結する連結部２７ｃが設けられている。
連結部２７ｃは絶縁層の突出部２６とモールド等により一体化して形成されている。連結部と突出部を含む絶縁層を一度にモールド成形等で形成すると作業効率が良い。また、連結部と突出部の境界での強度低下を考慮する必要がない。
連結部２７ｃが絶縁材料からなることで空間距離および沿面距離を考慮しなくても短絡を防止することができ、半導体モジュールの小型化が可能となる。
【００６０】
図１１（ｂ）に示す半導体モジュール１１２では、突出部２６を連結する連結部２７ｄが設けられている。連結部２７ｄは、突出部２６とは別体である点で図１１（ａ）に示す連結部２７ｃと異なる。
このような構成であると連結部の材料特性を突出部とは異ならせることができる。例えば突出部を構成する絶縁層に使用される材料（通常は樹脂材料）よりも熱伝導率の高いセラミックを連結部の材料として使用すると、連結部からの放熱をより促進させることができるために好ましい。
絶縁層と連結部を構成する別体の接合は、ねじや接着剤等により行うことができる。
連結部２７ｄも絶縁材料からなることで空間距離および沿面距離を考慮しなくても短絡を防止することができ、半導体モジュールの小型化が可能となる。
半導体モジュール１１１、半導体モジュール１１２とも、その他の構成は図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す半導体モジュール１と同様とすることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１、２、３、４、５、６、６ｂ、７、８、８ｂ、９、１１１、１１２  半導体モジュール
１１、１３  半導体素子
１４  接合材
１５  コレクタ電極（配線電極）
１６  接合材
１７  エミッタ電極（配線電極）
１９  ゲート電極（配線電極）
２０、７０  熱拡散部材
２１  熱拡散部材の第１の主面
２２  熱拡散部材の第２の主面
２３、２４  熱拡散部材の側面
２５  絶縁層
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ  突出部
２７ａ  取り付け部
２７ｂ  切欠き部
２７ｃ、２７ｄ  連結部
２８  ねじ
２９  筐体フレーム
３０  冷却風流路
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ  開口部
３３  絶縁膜
４０、５０  炭素系構造体
４０ａ  炭素系構造体の端部
４１、５１、７１  ベース部
４２、５２、７２  フィン部
４４、５４  層状構造体
５５  層間距離拡張領域
１２２  （半導体素子の上面側の）熱拡散部材の第２の主面
１２５  （半導体素子の上面側の）絶縁層
１２６  （半導体素子の上面側の）突出部
１２７ａ  （半導体素子の上面側の）取り付け部
１２８  （半導体素子の上面側の）ねじ
１２９  （半導体素子の上面側の）筐体フレーム
１３０  上面側冷却風流路
【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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