(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体素子の発熱を効率良く放熱することができると共に、半導体装置の発熱を抑制することができる半導体装置、半導体モジュール、及びこれらの製造方法を提供する。【解決手段】第１の貫通孔１４が形成された半導体素子１１と、前記第１の貫通孔１４に対応した位置に第２の貫通孔１５が形成され、半導体素子１１に接する放熱板１３と、第１の貫通孔１４及び第２の貫通孔１５を貫通する突起部１７が形成され、突起部１７は、絶縁層１８を介し、第１の貫通孔１４及び第２の貫通孔１５の順に嵌合される電極板１２とを有する半導体装置１０、及び第１の絶縁部材５１と第２の絶縁部材５２とを介して半導体装置１０と接する第１の冷却器５３と第２の冷却器５４を有する半導体モジュール５０、並びにこれらの製造方法。【選択図】図８
2009272483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部分に凹部が形成された半導体素子と、
前記半導体素子の前記凹部が形成された面と反対側の面に接する放熱板と、
前記半導体素子の前記凹部に対応した形状を有する突起部が形成され、前記突起部が前記凹部に絶縁層を介して嵌合される電極板と
を有する半導体装置。
【請求項２】
中央部分に第１の貫通孔が形成された半導体素子と、
前記半導体素子の前記第１の貫通孔に対応した位置に第２の貫通孔が形成され、前記半導体素子に接する放熱板と、
前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を貫通するための形状を有する突起部が形成され、前記突起部は、絶縁層を介し、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔に順に嵌合される電極板と
を有する半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体装置と、
前記半導体装置の片面に設けられた第１の絶縁部材と、
前記第１の絶縁部材を介して前記半導体装置と接する第１の冷却器と
を有する半導体モジュール。
【請求項４】
前記半導体装置の前記第１の絶縁部材と反対側の面に設けられた第２の絶縁部材と、
前記第２の絶縁部材を介して前記半導体装置と接する第２の冷却器を有する請求項３記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記半導体装置が複数である請求項３又は４記載の半導体モジュール。
【請求項６】
半導体素子の中央部分に形成された凹部を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程と、
前記凹部に係止される突起部が形成された電極板を準備する工程と、
前記突起部が前記凹部に嵌合されるように、前記電極板の前記突起部が形成された面に、半田、前記半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、前記半導体素子の一方の面を前記電極板に半田接合し、前記半導体素子の他方の面を前記放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項７】
電極板の中央部分に形成された突起部を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程と、
前記突起部を係止する凹部が形成された半導体素子を準備する工程と、
前記突起部が前記凹部に嵌合されるように、前記電極板の前記突起部が形成された面に、半田、前記半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、前記半導体素子の一方の面を前記電極板に半田接合し、前記半導体素子の他方の面を前記放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項８】
電極板の中央部分に形成された突起部の側面を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程と、
前記突起部が貫通する第１の貫通孔及び第２の貫通孔が各々形成された半導体素子及び放熱板を準備する工程と、
前記突起部が前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔に嵌合されるように、前記電極板の前記突起部が形成された面に、半田、前記半導体素子、半田、前記放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、前記半導体素子の一方の面を前記電極板に半田接合し、前記半導体素子の他方の面を前記放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項６乃至８何れか一項に記載の半導体装置の製造方法と、
前記半導体装置の前記放熱板を絶縁部材に接合する絶縁部材接合工程と、
前記絶縁部材に接合された前記半導体装置を樹脂を用いて封止する樹脂封止工程と
を有する半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、半導体モジュール、及びこれらの製造方法に係り、特にパワー半導体素子を有する半導体装置、半導体モジュール、及びこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ、コンバータ等の電力変換回路又は電力制御回路の機能を有する電力機器の需要の増大に伴って、パワー半導体素子を有するパワー半導体装置、及びパワー半導体装置を搭載したパワー半導体モジュールの需要が増大している。
【０００３】
パワー半導体素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated-Gate  Bipolar  Transistor、以下ＩＧＢＴという）が用いられる。ＩＧＢＴは、バイポーラトランジスタのベースを電界効果トランジスタ（Field-Effect  Transistor、以下ＦＥＴという）のゲートで置き換えたもので、電流駆動方式であるバイポーラトランジスタの高速性や耐電力性と、電圧駆動方式であるバイポーラトランジスタの省電力性を兼備した半導体素子である。
【０００４】
しかしながら、パワー半導体素子であるＩＧＢＴの消費電力は大きいため、ＩＧＢＴを含むパワー半導体装置から発生する熱量は大きい。また、小型化、低コスト化を追求するために発熱密度が高まり、発熱温度が高くなっている。加えて、過渡的な発熱、定常的な発熱に対し、パワー半導体素子の性能を確保しなくてはならない。従って、ＩＧＢＴを含むパワー半導体装置を搭載するパワー半導体モジュールにおいては、ＩＧＢＴで発生する熱量を冷却する冷却構造を有する必要がある。
【０００５】
図１４に、ＩＧＢＴを半導体素子として用いた半導体モジュール７０の例を模式的に示す。図１４を参照するに、半導体モジュール７０は、半導体素子７１と、電極板７２と、放熱板７３と、絶縁部材７４と、冷却器７５とを有する。半導体素子７１は、上側を電極板７２と、下側を放熱板７３と半田接合される。半導体素子７１で発生した熱は、電極板７２、放熱板７３を通して冷却器７５に伝熱され、水冷又は空冷の冷却器で放熱される。
【０００６】
ところが、ＩＧＢＴの発熱が大きいため、このような構造では十分に放熱ができず、ＩＧＢＴ素子が壊れる問題があった。ＩＧＢＴ素子が壊れない場合でも、ＩＢＧＴ素子の発熱によって熱応力が発生し、半田その他の部分にクラックが発生する問題があった。
【０００７】
このように、発熱量の大きな半導体モジュールの放熱性を向上させる構造として、半導体素子基板又は回路基板に放熱の経路となる貫通孔を設けることが行われてきた。
【０００８】
例えば、特許文献１には、半導体素子基板の表面及び裏面に形成された電極パッドを互いに電気的に導通するために、半導体素子基板の表裏を貫通する貫通孔が設けられ、貫通孔内に絶縁層が周設され、導電層を用いて貫通孔が充填された構造が開示されている。
【０００９】
また、特許文献２には、発熱素子の下側に発熱素子を実装するための回路基板を配設し、その回路基板の下側に放熱板を配置し、回路基板にも貫通孔を設けて半田を充填し、貫通孔に充填された半田を介して発熱素子の発熱を放熱板に放熱する放熱構造が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３１１９８２号公報
【特許文献２】特開２００４−８７５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、パワー半導体素子を含むパワー半導体装置を搭載したパワー半導体モジュールの発熱を放熱するためには、従来の方法を用いる場合、以下のような問題があった。
【００１１】
半導体素子基板に貫通孔及び貫通孔内部に充填された導電層を設ける方法を用いて、複数のパワー半導体素子を含む複数のパワー半導体装置を実装するパワー半導体モジュールの放熱を行う場合、貫通孔を設けるためのパワー半導体素子と別の回路基板を用いなくてはならず、パワー半導体素子を十分に放熱することができないという問題があった。また、半導体素子基板の表面と裏面との間を電気的に導通するための貫通孔及び貫通孔内部に充填された導電層であるため、パワー半導体素子の内部の発熱を十分に放熱するための位置を規定する必要があるという問題があった。
【００１２】
また、発熱素子の下側に発熱素子を実装するための回路基板を配設し、その回路基板の下側に放熱板を配置し、回路基板に設けられた半田が充填された貫通孔を介して発熱素子の発熱を放熱板に放熱する方法を用いる場合、発熱素子と放熱板との間に回路基板を設けなくてはならず、パワー半導体素子を十分に放熱することができないという問題があった。また、パワー半導体素子の内部の発熱を十分に放熱することができないという問題があった。
【００１３】
従って、放熱が十分にできない場合に半導体素子が壊れる、又半導体素子の発熱により熱応力が生じ、半田その他の部分にクラックが発生する、といったＩＧＢＴ等のパワー半導体素子における発熱の問題を解決することができなかった。
【００１４】
一方、パワー半導体素子を含む半導体装置の製造工程においては、製造工程が多く複雑であり、実装に必要な位置精度を確保できず、歩留まりが向上せず製造コストが高いという問題があった。
【００１５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、半導体素子の発熱を効率良く放熱することができると共に、半導体装置の発熱を抑制することができる半導体装置、半導体モジュール、及びこれらを位置精度良く製造する製造方法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】
【００１６】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１７】
第１の発明に係る半導体装置は、中央部分に凹部が形成された半導体素子と、前記半導体素子の前記凹部が形成された面と反対側の面に接する放熱板と、前記半導体素子の前記凹部に対応した形状を有する突起部が形成され、前記突起部が前記凹部に絶縁層を介して嵌合される電極板とを有する。
【００１８】
第２の発明に係る半導体装置は、中央部分に第１の貫通孔が形成された半導体素子と、前記半導体素子の前記第１の貫通孔に対応した位置に第２の貫通孔が形成され、前記半導体素子に接する放熱板と、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を貫通するための形状を有する突起部が形成され、前記突起部は、絶縁層を介し、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔に順に嵌合される電極板とを有する。
【００１９】
第３の発明に係る半導体モジュールは、第１又は第２の発明に係る半導体装置と、前記半導体装置の片面に設けられた第１の絶縁部材と、前記第１の絶縁部材を介して前記半導体装置と接する第１の冷却器とを有する。
【００２０】
第４の発明は、第３の発明に係る半導体モジュールにおいて、前記半導体装置の前記第１の絶縁部材と反対側の面に設けられた第２の絶縁部材と、前記第２の絶縁部材を介して前記半導体装置と接する第２の冷却器を有する。
【００２１】
第５の発明は、第３又は第４の発明に係る半導体モジュールにおいて、前記半導体装置が複数である。
【００２２】
第６の発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子の中央部分に形成された凹部を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程と、前記凹部に係止される突起部が形成された電極板を準備する工程と、前記突起部が前記凹部に嵌合されるように、前記電極板の前記突起部が形成された面に、半田、前記半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、前記半導体素子の一方の面を前記電極板に半田接合し、前記半導体素子の他方の面を前記放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程とを有する。
【００２３】
第７の発明に係る半導体装置の製造方法は、電極板の中央部分に形成された突起部を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程と、前記突起部を係止する凹部が形成された半導体素子を準備する工程と、前記突起部が前記凹部に嵌合されるように、前記電極板の前記突起部が形成された面に、半田、前記半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、前記半導体素子の一方の面を前記電極板に半田接合し、前記半導体素子の他方の面を前記放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程とを有する。
【００２４】
第８の発明に係る半導体装置の製造方法は、電極板の中央部分に形成された突起部の側面を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程と、前記突起部が貫通する第１の貫通孔及び第２の貫通孔が各々形成された半導体素子及び放熱板を準備する工程と、前記突起部が前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔に嵌合されるように、前記電極板の前記突起部が形成された面に、半田、前記半導体素子、半田、前記放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、前記半導体素子の一方の面を前記電極板に半田接合し、前記半導体素子の他方の面を前記放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程とを有する。
【００２５】
第９の発明に係る半導体モジュールの製造方法は、第６乃至第８何れかの発明に係る半導体装置の製造方法と、前記半導体装置の前記放熱板を絶縁部材に接合する絶縁部材接合工程と、前記絶縁部材に接合された前記半導体装置を樹脂を用いて封止する樹脂封止工程とを有する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、半導体素子の発熱を効率良く放熱することができ、半導体装置の発熱を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１及び図２を参照し、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法を説明する。
【００２９】
最初に、図１を参照し、本実施の形態に係る半導体装置を説明する。
【００３０】
図１は、本実施の形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。
【００３１】
図１に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１０は、半導体素子１１、電極板１２、放熱板１３を有する。
【００３２】
半導体素子１１の中央部分には、第１の貫通孔１４が形成される。第１の貫通孔１４の平面視における形状は、特に限定されるものではないが、例えば円形又は矩形にすることができる。半導体素子１１は、パワー半導体素子として機能するためのものであり、例えば図１において、上側がエミッタ側であり、下側がコレクタ側である。
【００３３】
放熱板１３の第１の貫通孔１４に対応した位置に第２の貫通孔１５が形成される。第２の貫通孔１５の平面視における形状は、特に限定されるものではないが、例えば第１の貫通孔１４と同一の形状とすることができる。放熱板１３は、半田１６を介して半導体素子１１のコレクタ側に接合される。また放熱板１３は、半導体素子１１のコレクタ側の電極板としての機能を有すると共に、放熱板としての機能を有する。
【００３４】
電極板１２には、第１の貫通孔１４及び第２の貫通孔１５を貫通するための形状を有する突起部１７が形成される。突起部１７の平面視における形状は、第１の貫通孔１４及び第２の貫通孔１５を貫通するための形状を有していれば、特に限定されるものではないが、例えば、第１の貫通孔１４及び第２の貫通孔１５が平面視において円形又は矩形の形状を有する場合、突起部１７の平面視における形状は、各々円形又は矩形とすることができる。その結果、電極板１２は、突起部１７を含む縦断面において、アルファベットのＴ字型の形状を有する。
【００３５】
Ｔ字型の形状を有する電極板１２は、突起部１７が、絶縁層１８を介し、第１の貫通孔１４及び第２の貫通孔１５に嵌合される。また電極板１２は、半田１９を介して半導体素子１１のエミッタ側に接する。電極板１２は、半導体素子１１のエミッタ側の電極板としての機能を有すると共に、放熱板としての機能を有する。
【００３６】
次に、半導体装置１０を構成する部分の材質及び大きさについて説明する。
【００３７】
半導体素子１１の材質は、ＩＧＢＴとして動作することのできる半導体であれば、特に限定するものではないが、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、カーボン（Ｃ）を用いることができる。また、半導体素子１１の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば平面視で１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさで、厚さ１５０μｍのものを用いることができる。電極板１２及び放熱板１３の材質は、導電性及び熱伝導性に優れた材質であれば特に限定されるものではないが、銅（Ｃｕ）、銅モリブデン（ＣｕＭｏ）、銅カーボン（ＣｕＣ）等の金属基板を用いることができる。また、電極板１２の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば平面視で１４ｍｍ×１４ｍｍの大きさで、厚さ２ｍｍのものを用いることができる。また、放熱板の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば平面視で１６ｍｍ×１６ｍｍの大きさで、厚さ２ｍｍのものを用いることができる。絶縁層１８の材質は、特に限定されるものではないが、例えばエポキシ、ポリイミド等を用いることができる。半田１６、１９の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば１５０μｍとすることができる。
【００３８】
半導体素子１１の第１の貫通孔１４の平面視における形状、放熱板１３の第２の貫通孔１５の平面視における形状は、特に限定されるものではないが、例えば１ｍｍ×２ｍｍの矩形とすることができる。それに伴って、対応する電極板１２の突起部１７の平面視における形状は、１ｍｍ×２ｍｍとすることができる。ただし、突起部１７の側壁には、例えば厚さ１５０μｍの絶縁層１４を形成することができ、その場合は、突起部１７の平面視における形状は、０．７ｍｍ×１．７ｍｍとすることができる。また、半導体素子１１の第１の貫通孔１４の内壁にも、例えば１０μｍの厚さの絶縁層を形成することができる。又、突起部１７の高さは、半田１９、半導体素子１１、半田１６、放熱板１３の厚さの和であるため、例えば２．４５ｍｍとすることができる。
【００３９】
次に、半導体装置１０の半導体素子１１の発熱を放熱する作用について説明する。
【００４０】
半導体素子１１のエミッタ側とコレクタ側との間に電流が流れると、半導体素子１１の全体に亘り熱が発生する。半導体素子１１のエミッタ側で発生した熱は、半導体素子１１に半田接合された電極板１２に伝熱される。半導体素子１１のコレクタ側で発生した熱は半導体素子１１に半田接合された放熱板１３に伝熱される。
【００４１】
加えて、半導体素子１１の中央部分において発生した熱は、突起部１７に伝熱され、突起部１７から電極板１２を通って半導体素子１１の外部へ伝熱される。また、電極板１２は放熱板１３を貫通するため、半導体素子１１の中央部分において発生した熱は、突起部１７に伝熱され、突起部１７から放熱板１３へ伝熱され、放熱板１３を通って半導体素子１１の外部へ伝熱される。
【００４２】
その結果、半導体素子１１の中央部分からの発熱量自体を減少させることができる。従って、半導体素子１１が発熱した場合でも、熱が半導体素子１１の中央部分に集中することを避けることができる。また、半導体素子１１の中央部分に第１の貫通孔１４が形成されるため、半導体素子１１の周辺部分から発熱することになり、熱を拡散することができる。
【００４３】
以上、本実施の形態に係る半導体装置１０によれば、電極板１２の突起部１７が半導体素子１１及び放熱板１３を中央部分において貫通するため、半導体素子１１の中央部分からの発熱量を減少させると共に半導体素子１１の中央部分から発生する熱を突起部１７を通して電極板１２及び放熱板１３へ伝熱することができ、半導体素子１１の発熱を抑制することができる。
【００４４】
（第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法）
本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００４５】
図２は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。
【００４６】
図２（ａ）〜図２（ｅ）に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、電極板の中央部分に形成された突起部の側面を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程（図２（ａ））と、突起部を貫通する第１の貫通孔及び第２の貫通孔が各々形成された半導体素子及び放熱板を準備する工程（図２（ｂ）及び図２（ｃ））と、第１の貫通孔及び第２の貫通孔に嵌合されるように、電極板の突起部が形成された面に、半田、半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、半導体素子の一方の面を電極板に半田接合し、半導体素子の他方の面を放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程（図２（ｄ）及び図２（ｅ））とを有する。
【００４７】
始めに、絶縁層被覆工程（図２（ａ））を行う。予め、特に限定されるものではないが、例えばプレス加工、切削加工等の加工方法によって突起部１７が形成された電極板１２を準備し、突起部１７の側壁を被覆するように絶縁層１８を形成する。絶縁層１８の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、エポキシ系樹脂を含むスプレー原料をスプレーコートして塗布する方法、又はエポキシ系樹脂を含むシート材料を貼付けた後、加圧した状態で熱処理し、接着する方法を用いることができる。
【００４８】
次に、第１の貫通孔が形成された半導体素子を準備する工程（図２（ｂ））と、第２の貫通孔が形成された放熱板を準備する工程（図２（ｃ））とを行う。半導体素子１１に第１の貫通孔１４を形成する方法は、特に限定されるものではないが、例えば反応性イオンエッチング（Reactive  Ion  Etching、以下ＲＩＥという）又はレーザ照射等を用いることができる。放熱板１３に第２の貫通孔１５を形成する方法は、絶縁層被覆工程（図２（ａ））において予め電極板１２を加工した方法と同様に、プレス加工、切削加工等を用いることができる。
【００４９】
次に、半導体装置形成工程（図２（ｄ）及び図２（ｅ））を行う。
【００５０】
始めに、半田、半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ねる（図２（ｄ））。例えば、第１の貫通孔１４が形成された半導体素子１１、第２の貫通孔１５が形成された放熱板１３の電極板１２側の面に半田ペースト２２、２３を塗布し、電極板１２の突起部１７が形成された面が上側になるように電極板１２を載置し、半田ペースト２２、２３が形成された面が下側になり、突起部１７が第１の貫通孔１４及び前記第２の貫通孔１５に嵌合されるように、電極板１２の突起部１７が形成された面に、半導体素子１１、放熱板１３を順に積み重ねる。なお、電極板１２の突起部１７が形成された面に、半田ペースト２２、半導体素子１１、半田ペースト２３、放熱板１３の順に積み重ねることができるのであれば、半田ペースト２２を半導体素子１１にではなく電極板１２の突起部１７が形成された面に塗布してもよく、半田ペースト２３を放熱板１３にではなく半導体素子１１の電極板１２と反対側の面に塗布してもよい。
【００５１】
次に、積み重ねられた状態のまま熱処理を行い、半導体素子１１の一方の面を電極板１２に半田接合し、半導体素子１１の他方の面を放熱板１３に半田接合することによって半導体装置１０を形成する（図２（ｅ））。例えば、リフロー炉に導入し、２５０℃で半田リフローを行うことによって、半導体装置１０を形成することができる。
【００５２】
このように、突起部１７に第１の貫通孔１４が形成された半導体素子１１及び第２の貫通孔１５が形成された放熱板１３を嵌合するため、電極板１２、半田２２、半導体素子１１、半田２３及び放熱板１３の位置精度を向上させることができる。
【００５３】
また、一度に半田接合を行うことができるため、製造工程を短縮することができ、それによって半導体装置の品質を向上させることができる。
【００５４】
以上、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、電極板、半導体素子及び放熱板の位置精度を向上させながら製造工程を短縮することができ、半導体装置の品質を向上させることができる。
【００５５】
（第１の実施の形態の第１の変形例）
次に、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照し、本発明の第１の実施の形態の第１の変形例について説明する。
【００５６】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本変形例に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。ただし、以下の文中では、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある（以下の変形例、実施の形態についても同様）。
【００５７】
本変形例に係る半導体装置は、電極板の突起部が半導体素子を貫通しない点で、第１の実施の形態に係る半導体装置と相違する。
【００５８】
図３（ａ）を参照するに、第１の実施の形態において、電極板の突起部が、半導体素子及び放熱板を貫通するのと相違し、本変形例に係る半導体装置１０ａは、電極板１２ａの突起部１７ａが、半導体素子１１ａを貫通せず、半導体素子１１ａに形成された凹部２４に嵌合される。
【００５９】
図３（ａ）に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置１０ａは、半導体素子１１ａ、電極板１２ａ、放熱板１３ａを有する。
【００６０】
半導体素子１１ａの中央部分には、第１の実施の形態と相違し、凹部２４が形成される。凹部２４の平面視における形状が例えば円形又は矩形であることは、第１の実施の形態と同様である。また、凹部２４の底面の凹凸形状は、特に限定されるものではないが、例えば平面とすることができる。
【００６１】
放熱板１３ａは、第１の実施の形態と相違し、貫通孔も凹部も形成されない。放熱板１３ａが、半田１６ａを介して半導体素子１１ａに接合され、半導体素子１１ａのコレクタ側に接合されるのは、第１の実施の形態と同様である。
【００６２】
電極板１２ａには、第１の実施の形態と相違し、半導体素子１１ａの凹部２４に嵌合するための形状を有する突起部１７ａが形成される。また、突起部先端の凹凸の形状は、凹部２４の底部の形状に対応し、例えば平面とすることができる。それ以外の、突起部１７ａの平面視における形状が、凹部２４の形状に対応し、円形又は矩形とすることができること、電極板１２ａが、突起部１７ａを含む縦断面において、アルファベットのＴ字型の形状を有することは、第１の実施の形態と同様である。
【００６３】
電極板１２ａは、突起部１７ａが、絶縁層１８ａを介し、凹部２４に嵌合される。また、電極板１２ａが、半田１９ａを介して半導体素子１１ａに接合され、半田１９ａを介して半導体素子１１ａのエミッタ側に接することは、第１の実施の形態と同様である。
【００６４】
半導体装置１０ａを構成する部分の材質は、第１の実施の形態と同様である。また、半導体装置１０ａの大きさも、凹部２４の深さ、凹部２４の側面及び底面が絶縁層１８ａで被覆されること、及び突起部１７ａの高さ以外は同様である。凹部２４の深さは、例えば１５０μｍの厚さである半導体素子１１ａの厚さより小さければよく、例えば７５μｍとすることができる。また、凹部２４の側面及び底面における絶縁層１８ａの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。また、突起部１７ａの高さは、半田１９ａと凹部２４の深さとの和から、凹部２４の底面における絶縁層１８ａの厚さを差し引いた値であり、例えば、例えば２１５μｍとすることができる。
【００６５】
なお、半田１９ａは、図３（ａ）に示されるように、電極板１２ａの下面の部分であって突起部１７ａの周囲の部分と、半導体素子１１ａの上面の部分であって凹部２４の周囲の部分との間に存在するが、電極板１２ａの下面の部分であって突起部１７ａの周囲の部分と、半導体素子１１の上面の部分であって凹部２４の周囲の部分との間に限定されるものではなく、図３（ｂ）に半田１９ｂとして示されるように、突起部１７ａの側面及び下面を含めた電極板１２ａの全ての下面と、凹部２４の側面及び底面を含めた半導体素子１１ａの全ての上面との間に存在することができる。このような構造を有する半導体装置を１０ｂとする。
【００６６】
次に、半導体装置１０ａ及び１０ｂが半導体素子１１ａの発熱を放熱する作用について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００６７】
本変形例においては、電極板１２ａの突起部１７ａは半導体素子１１ａを貫通しないため、半導体素子１１ａの中央部分において発生した熱は、突起部１７ａから放熱板１３ａへ伝熱されることはない。
【００６８】
しかし、電極板１２ａの突起部１７ａは、半導体素子１１ａの中心部分に形成された凹部２４に嵌合するため、半導体素子１１ａの中央部分において発生した熱は、突起部１７ａの側面及び下面に伝熱され、電極板１２ａを通って半導体素子１１ａの外部へ伝熱される。また、半導体素子１１ａの中央部分に凹部２４が形成されるため、半導体素子１１ａの中央部分からの発熱量自体を減少させることができる。特に、図３（ｂ）に示されるように、半導体装置１０ｂにおいては、突起部１７ａの側面及び下面を含めた電極板１２ａの全ての下面と、凹部２４の側面及び底面を含めた半導体素子１１ａの全ての上面との間に半田１９ｂが存在する場合、半導体素子１１ａの中央部分と突起部１７ａとの伝熱の効率が高くなる。更に、半導体素子１１ａが完全に貫通されないため、半導体素子１１ａの全体に亘り熱が拡散し、発熱量が平均化されるという効果も有する。
【００６９】
以上、本変形例に係る半導体装置１０ａ及び１０ｂによれば、半導体素子１１ａの中央部分からの発熱量を減少させると共に半導体素子１１ａの中央部分から発生する熱を突起部１７ａを通して電極板１２ａへ伝熱することができ、半導体素子１１ａの発熱を抑制することができる。
【００７０】
（第１の実施の形態の第１の変形例に係る半導体装置の第１の製造方法）
本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る半導体装置の第１の製造方法について説明する。
【００７１】
図４Ａは、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法を模式的に示す図である。
【００７２】
図４Ａ（ａ）〜図４Ａ（ｄ）に示されるように、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法は、半導体素子の中央部分に形成された凹部を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程（図４Ａ（ａ））と、凹部に係止される突起部が形成された電極板を準備する工程（図４Ａ（ｂ））と、突起部が凹部に嵌合されるように、電極板の突起部が形成された面に、半田、半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、半導体素子の一方の面を電極板に半田接合し、半導体素子の他方の面を放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程（図４Ａ（ｃ）及び図４Ａ（ｄ））とを有する。
【００７３】
始めに、絶縁層被覆工程（図４Ａ（ａ））を行う。予め、特に限定されるものではないが、例えば反応性イオンエッチング（Reactive  Ion  Etching、以下ＲＩＥという）又はレーザ照射等の加工方法によって凹部２４が形成された半導体素子１１ａを準備し、凹部２４の側面及び底面を被覆するように絶縁層１８ａを形成する。絶縁層１８ａの形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、エポキシ系樹脂を含むスプレー原料をスプレーコートして塗布する方法、又はエポキシ系樹脂を含むシート材料を貼付けた後、加圧した状態で熱処理し、接着する方法を用いることができる。或いは、半導体素子１１ａを熱酸化等の酸化処理によって凹部２４を含める一方の面及びこの一方の面の反対側である他方の面並びに側面を含めた全面を酸化し、凹部２４の内部だけ残るようにエッチング又は研削処理を行うこともできる。
【００７４】
次に、突起部が形成された電極板を準備する工程（図４Ａ（ｂ））を行う。電極板１２ａに突起部１７ａを形成する方法は、特に限定されるものではないが、例えばプレス加工、切削加工等を用いることができる。
【００７５】
次に、半導体装置形成工程（図４Ａ（ｃ）及び図４Ａ（ｄ））を行う。
【００７６】
始めに、半田、半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ねる（図４Ａ（ｃ））。第１の実施の形態と同様に、例えば、凹部２４が形成された半導体素子１１ａ、放熱板１３ａの電極板１２ａ側の面に半田ペースト２２、２３ａを塗布し、電極板１２ａの突起部１７ａが形成された面が上側になるように電極板１２ａを載置し、半田ペースト２２、２３ａが形成された面が下側になり、突起部１７ａが凹部２４に嵌合されるように、電極板１２ａの突起部１７ａが形成された面に、半導体素子１１ａ、放熱板１３ａを順に積み重ねる。なお、電極板１２ａの突起部１７ａが形成された面に、半田ペースト２２、半導体素子１１ａ、半田ペースト２３ａ、放熱板１３ａの順に積み重ねることができるのであれば、半田ペースト２２を半導体素子１１ａにではなく電極板１２ａの突起部１７ａが形成された面に塗布してもよく、半田ペースト２３ａを放熱板１３ａにではなく半導体素子１１ａの電極板１２ａと反対側の面に塗布してもよい。
【００７７】
次に、積み重ねられた状態のまま熱処理を行い、半導体素子１１ａの一方の面を電極板１２ａに半田接合し、半導体素子１１ａの他方の面を放熱板１３ａに半田接合することによって半導体装置１０ａを形成する（図４Ａ（ｄ））。例えば、リフロー炉に導入し、２５０℃で半田リフローを行うことによって、半導体装置１０ａを形成することができる。
【００７８】
突起部１７ａに凹部２４が形成された半導体素子１１ａを嵌合するため、電極板１２ａ、半田１９ａ及び半導体素子１１ａの位置精度を向上させることができる。また、一度に半田接合を行うことができるため、製造工程を短縮することができ、それによって半導体装置の品質を向上させることができる。更に、半導体素子１１ａに貫通孔を設けなくてもよいため、第１の実施の工程に比べ、製造工程を簡略化することができる。
【００７９】
以上のように、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法によれば、電極板及び半導体素子の位置精度を向上させながら製造工程を更に短縮することができ、半導体装置の品質を向上させることができる。
【００８０】
（第１の実施の形態の第１の変形例に係る半導体装置の第２の製造方法）
本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る半導体装置の第２の製造方法について説明する。
【００８１】
図４Ｂは、本変形例に係る半導体装置の第２の製造方法を模式的に示す図である。
【００８２】
図４Ｂ（ａ）〜図４Ｂ（ｄ）に示されるように、本変形例に係る半導体装置の第２の製造方法は、半導体素子の中央部分に形成された凹部を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程（図４Ｂ（ａ））と、凹部に係止される突起部が形成された電極板を準備する工程（図４Ｂ（ｂ））と、突起部が凹部に嵌合されるように、電極板の突起部が形成された面に、半田、半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、半導体素子の一方の面を電極板に半田接合し、半導体素子の他方の面を放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程（図４Ｂ（ｃ）及び図４Ｂ（ｄ））とを有する。
【００８３】
本変形例に係る半導体装置の第２の製造方法は、半導体装置形成工程において、半導体素子の凹部と電極板の突起部との間においても半田接合される点で、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法と相違する。
【００８４】
図４Ｂ（ａ）乃至図４Ｂ（ｄ）を参照するに、本変形例に係る第１の製造方法において、半導体素子の凹部と電極板の突起部との間においては半田接合されないのと相違し、本変形例に係る第２の製造方法は、半導体素子１１ａの凹部２４と電極板１２ａの突起部１７ａとの間においても半田１９ｂを用いて半田接合される。即ち、半導体装置として、図３（ａ）に示される構造を有する半導体装置１０ａではなく、図３（ｂ）に示される構造を有する半導体装置１０ｂが製造される。
【００８５】
絶縁層被覆工程（図４Ｂ（ａ））及び突起部が形成された電極板を準備する工程（図４Ｂ（ｂ））は、本変形例に係る第１の製造方法と同一である。
【００８６】
但し、半導体装置形成工程（図４Ｂ（ｃ）及び図４Ｂ（ｄ））は、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法と異なる。
【００８７】
即ち、半田、半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ねる（図４Ｂ（ｃ））際に、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法において、凹部が形成された半導体素子の電極板側の面に半田ペーストを塗布する際に、凹部の側面及び底面には塗布しないところ、本変形例に係る半導体装置の第２の製造方法においては、凹部２４の側面及び底面にも半田ペースト２２ｂを塗布する。
【００８８】
次に、電極板１２ａの突起部１７ａが形成された面が上側になるように電極板１２ａを載置し、半田ペースト２２ｂ、２３ａが形成された面が下側になり、突起部１７ａが凹部２４に嵌合されるように、電極板１２ａの突起部１７ａが形成された面に、半導体素子１１ａ、放熱板１３ａを順に積み重ねるのは、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法と同様である。
【００８９】
また、半導体素子１１ａの凹部２４が形成された面に半田ペースト２２ｂを塗布する代わりに、半田ペースト２２ｂを電極板１２ａの突起部１７ａが形成された面に塗布してもよいのは、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法と同様である。このとき、電極板１２ａの突起部１７ａが形成された側の面に半田ペースト２２ｂを塗布する際に、突起部１７ａの側面及び上面にも半田ペースト２２ｂを塗布する。
【００９０】
その後、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法と同様の熱処理を行って、半導体装置１０ｂを形成することができ、本変形例に係る半導体装置の第１の製造方法と同様に、電極板及び半導体素子の位置精度を向上させながら製造工程を更に短縮することができ、半導体装置の品質を向上させることができる。
【００９１】
（第１の実施の形態の第２の変形例）
次に、図５を参照し、本発明の第１の実施の形態の第２の変形例について説明する。
【００９２】
図５は、本変形例に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。
【００９３】
本変形例に係る半導体装置は、電極板の突起部が半導体素子を貫通しない点で、第１の実施の形態に係る半導体装置と相違する。
【００９４】
図５を参照するに、第１の実施の形態において、電極板の突起部が、半導体素子及び放熱板を貫通するのと相違し、本変形例に係る半導体装置１０ｃは、電極板１２ｃの突起部１７ｃが、半導体素子１１ｃを貫通せず、半導体素子１１ｃに形成された凹部２４に嵌合される。
【００９５】
図５に示されるように、本変形例に係る半導体装置１０ｃは、半導体素子１１ｃ、電極板１２ｃ、放熱板１３ａを有する。
【００９６】
半導体素子１１ｃの中央部分には、第１の実施の形態と相違し、凹部２４が形成される。凹部２４の平面視における形状が例えば円形又は矩形であることは、第１の実施の形態と同様である。また、凹部２４の底面の凹凸形状は、特に限定されるものではないが、例えば平面とすることができる。
【００９７】
放熱板１３ａは、第１の実施の形態と相違し、貫通孔も凹部も形成されない。放熱板１３ａが、半田１６ａを介して半導体素子１１ｃに接合され、半導体素子１１ｃのコレクタ側に接合されるのは、第１の実施の形態と同様である。
【００９８】
電極板１２ｃには、第１の実施の形態と相違し、半導体素子１１ｃの凹部２４に嵌合するための形状を有する突起部１７ｃが形成される。また、突起部先端の凹凸の形状は、凹部２４の底部の形状に対応し、例えば平面とすることができる。それ以外の、突起部１７ｃの平面視における形状が、凹部２４の形状に対応し、円形又は矩形とすることができること、電極板１２ｃが、突起部１７ｃを含む縦断面において、アルファベットのＴ字型の形状を有することは、第１の実施の形態と同様である。
【００９９】
電極板１２ｃは、突起部１７ｃが、絶縁層１８ｃを介し、凹部２４に嵌合される。また、電極板１２ｃが、半田１９ｃを介して半導体素子１１ｃに接合され、半田１９ｃを介して半導体素子１１ｃのエミッタ側に接することは、第１の実施の形態と同様である。
【０１００】
半導体装置１０ｃを構成する部分の材質は、第１の実施の形態と同様である。また、半導体装置１０ｃの大きさも、凹部２４の深さ、突起部１７ｃの側面及び先端が絶縁層１８ｃで被覆されること、及び突起部１７ｃの高さ以外は同様である。凹部２４の深さは、例えば１５０μｍの厚さである半導体素子１１ｃの厚さより小さければよく、例えば７５μｍとすることができる。また、突起部１７ｃの側面における絶縁層１８ｃの厚さは、第１の実施の形態と同様に例えば１５０μｍとすることができるが、突起部１７ｃの先端における絶縁層１８ｃの厚さは、例えば１０μｍとすることができる。また、突起部１７ｃの高さは、半田１９ｃと凹部２４の深さとの和から、突起部１７ｃの先端における絶縁層１８ｃの厚さを差し引いた値であり、例えば、例えば２１５μｍとすることができる。
【０１０１】
次に、半導体装置１０ｃが半導体素子１１ｃの発熱を放熱する作用について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【０１０２】
本変形例においては、電極板１２ｃの突起部１７ｃは半導体素子１１ｃを貫通しないため、半導体素子１１ｃの中央部分において発生した熱は、突起部１７ｃから放熱板１３ａへ伝熱されることはない。
【０１０３】
しかし、電極板１２ｃの突起部１７ｃは、半導体素子１１ｃの中心部分に形成された凹部２４に嵌合するため、半導体素子１１ｃの中央部分において発生した熱は、突起部１７ｃの側面及び下面に伝熱され、電極板１２ｃを通って半導体素子１１ｃの外部へ伝熱される。また、半導体素子１１ｃの中央部分に凹部２４が形成されるため、半導体素子１１ｃの中央部分からの発熱量自体を減少させることができる。更に、半導体素子１１ｃが完全に貫通されないため、半導体素子１１ｃの全体に亘り熱が拡散し、発熱量が平均化されるという効果も有する。
【０１０４】
以上、本変形例に係る半導体装置１０ｃによれば、半導体素子１１ｃの中央部分からの発熱量を減少させると共に半導体素子１１ｃの中央部分から発生する熱を突起部１７ｃを通して電極板１２ｃへ伝熱することができ、半導体素子１１ｃの発熱を抑制することができる。
【０１０５】
（第１の実施の形態の第２の変形例に係る半導体装置の製造方法）
本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【０１０６】
図６は、本変形例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。
【０１０７】
図６（ａ）〜図６（ｄ）に示されるように、本変形例に係る半導体装置の製造方法は、電極板の中央部分に形成された突起部の側面を絶縁層で被覆する絶縁層被覆工程（図６（ａ））と、突起部を係止する凹部が形成された半導体素子を準備する工程（図６（ｂ））と、突起部が凹部に嵌合されるように、電極板の突起部が形成された面に、半田、半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ね、熱処理を行い、半導体素子の一方の面を電極板に半田接合し、半導体素子の他方の面を放熱板に半田接合することによって半導体装置を形成する半導体装置形成工程（図６（ｃ）及び図６（ｄ））とを有する。
【０１０８】
始めに、絶縁層被覆工程（図６（ａ））を行う。これは、第１の実施の形態の製造方法において、図６（ａ）に示される工程と同様であるが、絶縁層１８ｃは、突起部１７ｃの側壁及び先端に形成される点が、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法と異なる。
【０１０９】
次に、凹部が形成された半導体素子を準備する工程（図６（ｂ））を行う。半導体素子１１ｃに凹部２４を形成する方法に、反応性イオンエッチング（Reactive  Ion  Etching、以下ＲＩＥという）又はレーザ照射等を用いることができるのは第１の実施の形態と同様である。但し、放熱板１３ａには加工を行わない。
【０１１０】
次に、半導体装置形成工程（図６（ｃ）及び図６（ｄ））を行う。
【０１１１】
始めに、半田、半導体素子、半田、放熱板を順に積み重ねる（図６（ｃ））。第１の実施の形態と同様に、例えば、凹部２４が形成された半導体素子１１ｃ、放熱板１３ａの電極板１２ｃ側の面に半田ペースト２２ｃ、２３ａを塗布し、電極板１２ｃの突起部１７ｃが形成された面が上側になるように電極板１２ｃを載置し、半田ペースト２２ｃ、２３ａが形成された面が下側になり、突起部１７ｃが凹部２４に嵌合されるように、電極板１２ｃの突起部１７ｃが形成された面に、半導体素子１１ｃ、放熱板１３ａを順に積み重ねる。なお、電極板１２ｃの突起部１７ｃが形成された面に、半田ペースト２２ｃ、半導体素子１１ｃ、半田ペースト２３ａ、放熱板１３ａの順に積み重ねることができるのであれば、半田ペースト２２ｃを半導体素子１１ｃにではなく電極板１２ｃの突起部１７ｃが形成された面に塗布してもよく、半田ペースト２３ａを放熱板１３ａにではなく半導体素子１１ｃの電極板１２ｃと反対側の面に塗布してもよい。
【０１１２】
次に、積み重ねられた状態のまま熱処理を行い、半導体素子１１ｃの一方の面を電極板１２ｃに半田接合し、半導体素子１１ｃの他方の面を放熱板１３ａに半田接合することによって半導体装置１０ｃを形成する（図６（ｄ））。例えば、リフロー炉に導入し、２５０℃で半田リフローを行うことによって、半導体装置１０ｃを形成することができる。
【０１１３】
突起部１７ｃに凹部２４が形成された半導体素子１１ｃを嵌合するため、電極板１２ｃ、半田１９ｃ及び半導体素子１１ｃの位置精度を向上させることができる。また、一度に半田接合を行うことができるため、製造工程を短縮することができ、それによって半導体装置の品質を向上させることができる。更に、半導体素子１１ｃに貫通孔を設けなくてもよいため、第１の実施の工程に比べ、製造工程を簡略化することができる。
【０１１４】
以上のように、本変形例に係る半導体装置の製造方法によれば、電極板及び半導体素子の位置精度を向上させながら製造工程を更に短縮することができ、半導体装置の品質を向上させることができる。
【０１１５】
（第２の実施の形態）
次に、図７及び図８を参照し、本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュール及び半導体モジュールの製造方法を説明する。
【０１１６】
最初に、図７を参照し、本実施の形態に係る半導体モジュールを用いたインバータ回路について説明する。
【０１１７】
図７は、本実施の形態に係る半導体モジュールを説明するための図であり、インバータ回路を示す回路図である。
【０１１８】
本実施の形態に係る半導体モジュールで構成されるインバータ回路３０は、Ｐ入力、Ｎ入力の２つの入力端子と、半導体装置３１、３２、３３、３４、３５、３６の６つの半導体装置と、逆並列ダイオード４１、４２、４３、４４、４５、４６の６つの逆並列ダイオードと、Ｕ出力、Ｖ出力、Ｗ出力の３つの出力端子を有する。インバータ回路３０は、Ｐ入力とＮ入力との間の直流電圧を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の位相の異なる３相を有する３相交流電圧に変換する回路である。
【０１１９】
半導体装置３１、３２、３３、３４、３５、３６は、ＩＧＢＴよりなるパワー半導体装置である。半導体装置３１、３４は、Ｕ相を構成し、半導体装置３２、３５は、Ｖ相を構成し、半導体装置３３、３６は、Ｗ相を構成する。また、半導体装置３１、３２、３３、３４、３５、３６のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流す逆並列ダイオード４１、４２、４３、４４、４５、４６が各々接続される。
【０１２０】
次に、図８を参照し、本実施の形態に係る半導体モジュールを説明する。
【０１２１】
図８は、本実施の形態に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【０１２２】
図８に示されるように、本実施の形態に係る半導体モジュール５０は、半導体装置１０、第１の絶縁部材５１、第２の絶縁部材５２、第１の冷却器５３、第２の冷却器５４、ボルト５５を有する。
【０１２３】
第１の絶縁部材５１は、半導体装置１０の片面に設けられる。本実施の形態では、半導体装置１０の放熱板１３側の面に設けられる。第２の絶縁部材５２は、半導体装置１０の第１の絶縁部材５１が設けられる面と反対側の面に設けられる。本実施の形態では、半導体装置１０の電極板１２側の面に設けられる。本実施の形態では、一組からなる第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２が、複数の半導体装置１０を上下から挟み込むように配設されるが、各々の半導体装置１０に対応して分割された複数組の第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２が用いられることもできる。
【０１２４】
第１の冷却器５３は、第１の絶縁部材５１を介して半導体装置１０の放熱板１３側に接する。第２の冷却器５４は、第２の絶縁部材５２を介して半導体装置１０の電極板１２側に接する。第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４は水冷方式の冷却器である。第１の冷却器５３は冷却水路５７を有し、冷却水路５７を流れる冷却水と熱交換を行うことによって半導体装置１０から伝熱された熱を放熱する。第２の冷却器５４は冷却水路５８を有し、冷却水路５８を流れる冷却水と熱交換を行うことによって半導体装置１０から伝熱された熱を放熱する。また、第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４は、水冷方式でなく、空冷方式にすることもできる。空冷方式の場合は、冷却水路の変わりにフィンを有することができる。
【０１２５】
第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４は、ボルト５５を用いて相互に固定される。なお、第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４が相互に固定されることが可能であれば、ボルト以外の固定金具等を用いて固定されることもできる。
【０１２６】
上下両側の面を第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２を介して第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４に各々接合された半導体装置１０は、樹脂５６を用いて封止される。樹脂５６は、半導体装置１０の半導体モジュール５０の外部から密閉し、絶縁性、耐圧性を確保するためのものである。
【０１２７】
次に、本実施の形態に係る半導体モジュール５０を構成する部分の材質及び大きさについて説明する。
【０１２８】
半導体装置１０は、第１の実施の形態と同様の材質及び大きさを有する。
【０１２９】
第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２の材質は、特に限定されるものではないが、例えばパワーモジュール用アルミ回路付き絶縁基板（Direct  Brazed  Aluminum、以下ＤＢＡという）、窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４、エポキシ、ポリイミド等を用いることができる。また、第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２の大きさは、特に限定されるものではないが、一体で設ける場合、例えば５５ｍｍ×９５ｍｍ×１５０μｍとすることができる。
【０１３０】
第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４の材質は、熱伝導性が良好であれば特に限定されるものではないが、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４の大きさは、特に限定されるものではないが、例えば６０ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍとすることができる。
【０１３１】
ボルト５５は、材質及び大きさは特に限定されるものではないが、例えばステンレス製のＭ６のスクリューボルトを用いることができる。
【０１３２】
樹脂５６の材質は、密閉性、絶縁性、耐圧性を確保できるのであれば、特に限定されるものではないが、例えばエポキシ、ポリイミド、シリコンゲル等を用いることができる。又、液状のものでもよく、ゲル状のものでもよい。
【０１３３】
次に、半導体モジュール５０が半導体装置１０の発熱を放熱する作用について説明する。
【０１３４】
半導体装置１０の内部で、半導体素子１１のエミッタ側とコレクタ側との間に電流が流れることによって発生した熱が、電極板１２及び放熱板１３に伝熱されるのは、第１の実施の形態と同一である。
【０１３５】
加えて、放熱板１３に伝熱された熱は、第１の絶縁部材５１を介して第１の冷却器５３に伝熱され、第１の冷却器５３で放熱される。また、電極板１２に伝熱された熱は、第２の絶縁部材５２を介して第２の冷却器５４に伝熱され、第２の冷却器５４で放熱されると同時に、突起部１７及び第１の絶縁部材５１を介して第１の冷却器５３にも伝熱され、第１の冷却器５３でも放熱される。
【０１３６】
即ち、半導体素子１１の電極板１２が突起部１７を有し、第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４の両側で効率良く放熱することができるため、冷却性能が向上し、半導体モジュール５０を小型化することができ、半導体モジュール５０の信頼性を向上させることができる。
【０１３７】
（第２の実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法について説明する。
【０１３８】
図９は、本実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法を模式的に示す図である。
【０１３９】
図９（ａ）〜図９（ｅ）に示されるように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体装置の放熱板を第１の絶縁部材に接合する第１の絶縁部材接合工程（図９（ａ））と、第１の絶縁部材に接合された半導体装置を樹脂を用いて封止する樹脂封止工程（図９（ｂ））と、樹脂を研削して半導体装置の電極板を露出する樹脂研削工程（図９（ｃ））と、露出された半導体装置の電極板を第２の絶縁部材に接合する第２の絶縁部材接合工程（図９（ｄ））と、第１の絶縁部材及び第２の絶縁部材に第１の冷却器及び第２の冷却器を接合する冷却器接合工程（図９（ｅ））とを有する。
【０１４０】
始めに、第１の絶縁部材接合工程（図９（ａ））を行う。予め第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を用いて製造された半導体装置１０を準備し、半導体装置１０の放熱板１３を第１の絶縁部材５１に接合する。第１の絶縁部材５１がＤＢＡ、Ｓｉ３Ｎ４の場合、例えばろう付け又は半田接合により、放熱板１３を第１の絶縁部材５１に接合する。第１の絶縁部材５１がエポキシ、ポリイミドの場合、例えば、スプレー原料をスプレーコートして塗布する方法、又はシート材料を貼付けた後、加圧した状態で熱処理し、接着する方法を用いて、放熱板１３を第１の絶縁部材５１に接合する。
【０１４１】
次に、樹脂封止工程（図９（ｂ））を行う。例えばエポキシ、ポリイミド、シリコンゲル等の樹脂を用い、例えばトランスファーモールド成形の方法又はポッティング樹脂の方法を用いて、第１の絶縁部材５１に接合された半導体装置１０を封止する。
【０１４２】
次に、樹脂研削工程（図９（ｃ））を行う。例えばアルミナ砥粒を用いた研削機により、半導体装置１０の電極板１２が露出されるまで樹脂５６を研削する。
【０１４３】
次に、第２の絶縁部材接合工程（図９（ｄ））を行う。露出された半導体装置１０の電極板１２及び樹脂５６に第２の絶縁部材５２を接合する。接合方法は、図９（ａ）に示される第１の絶縁部材接合工程と同一であり、第２の絶縁部材５２がＤＢＡ、Ｓｉ３Ｎ４の場合はろう付け又は半田接合により接合を行い、第２の絶縁部材５２がエポキシ、ポリイミドの場合、スプレーコートやシート材料を貼付け後の加圧した状態での熱処理により接合することができる。
【０１４４】
次に、冷却器接合工程（図９（ｅ））を行う。第１の絶縁部材及び第２の絶縁部材に第１の冷却器及び第２の冷却器を接合する。第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２がＤＢＡ、Ｓｉ３Ｎ４の場合、第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４で挟み込み、ボルトを用いて固定する。また、第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２がエポキシ、ポリイミドの場合、例えば、第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２の原料となるシート材料を介して第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４を貼付けた後、加圧した状態で熱処理し、接着することによって固定する。
【０１４５】
以上のような半導体モジュール５０の製造方法を行うことにより、半導体モジュール５０を製造するために用いる半導体装置１０の製造工程が短縮されたものであるため、半導体モジュール５０の製造工程を短縮することができ、半導体モジュールの品質を向上させることができる。
【０１４６】
（第２の実施の形態の第１の変形例）
次に、図１０を参照し、本発明の第２の実施の形態の第１の変形例について説明する。
【０１４７】
図１０は、本変形例に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【０１４８】
本変形例に係る半導体モジュールは、半導体装置の電極板側が冷却器と接合されない点で、第２の実施の形態に係る半導体モジュールと相違する。
【０１４９】
図１０を参照するに、第２の実施の形態において、半導体装置の電極板側が第２の絶縁部材を介して第２の冷却器と接合されるのと相違し、本変形例に係る半導体モジュール５０ａは、半導体装置１０の電極板１２側が樹脂５６で封止され、金属板５９が載置され、ボルト５５を用いて金属板５９が第１の冷却器５３に固定されることによって、固定される。
【０１５０】
電極１２の突起部１７が、第１の絶縁部材５１を介して第１の冷却器５３に接するため、半導体装置１０の半導体素子１１の電極板１２側で発生した熱は、突起部１７から第１の冷却器５３に伝熱し、第１の冷却器５３で放熱される。また、半導体素子１１の中心部分で発生した熱は、突起部１７を介して第１の冷却器５３に伝熱し、第１の冷却器５３で放熱される。
【０１５１】
即ち、半導体素子１１の電極板１２が突起部１７を有し、第１の冷却器５３で効率良く放熱することができるため、冷却性能が向上し、半導体モジュールを小型化し、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。
【０１５２】
（第２の実施の形態の第２の変形例）
次に、図１１を参照し、本発明の第２の実施の形態の第２の変形例について説明する。
【０１５３】
図１１は、本変形例に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【０１５４】
本変形例に係る半導体モジュールは、半導体装置が第１の実施の形態の変形例に係る半導体装置である点で、第２の実施の形態に係る半導体モジュールと相違する。
【０１５５】
図１１を参照するに、第２の実施の形態において、半導体装置が第１の実施の形態に係る半導体装置１０であるのと相違し、本変形例に係る半導体モジュール５０ｂは、半導体装置が第１の実施の形態の変形例に係る半導体装置１０ａである。
【０１５６】
半導体装置１０ａの電極板１２ａの突起部１７ａは半導体素子１１ａを貫通しないが、半導体装置１０ａの半導体素子１１ａの中央部分において発生した熱は、電極板１２ａを通って半導体素子１１ａの外部へ伝熱される。また、半導体素子１１ａの中央部分に凹部２４が形成されることによって中央部分からの発熱量自体が減少する効果を有するのに加え、半導体素子１１ａの中央部分において完全に貫通されない部分を通して半導体素子１１ａの全体に亘り熱が拡散することによって半導体素子１１ａの発熱量が平均化されるという効果も有する。
【０１５７】
その結果、半導体素子１１ａに貫通孔ではなく凹部が形成される場合においても、半導体モジュール５０ｂの冷却性能を向上させ、信頼性を向上させることができる。
【０１５８】
なお、本変形例においては、半導体装置１０ａの代わりに半導体装置１０ｂ又は半導体装置１０ｃを用いても同様の効果を有する。
【０１５９】
（第２の実施の形態の第３の変形例）
次に、図１２を参照し、本発明の第２の実施の形態の第３の変形例について説明する。
【０１６０】
図１２は、本変形例に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【０１６１】
本変形例に係る半導体モジュールは、半導体装置の放熱板側が冷却器と接合されない点で、第２の実施の形態の第２の変形例に係る半導体モジュールと相違する。
【０１６２】
図１２を参照するに、第２の実施の形態の第２の変形例において、半導体装置の電極板側が第１の絶縁部材を介して第１の冷却器と接合されるのと相違し、本変形例に係る半導体モジュール５０ｃは、半導体装置１０ａの放熱板１３ａ側が第１の絶縁部材５１を介して金属板５９と接合され、金属板５９がボルト５５を用いて第２の冷却器５４に固定されることによって、構成される。
【０１６３】
半導体装置１０ａの半導体素子１１ａの中央部分において発生した熱の大部分は、電極板１２ａを通って第２の冷却器５４で冷却されるため、第１の冷却器を設けなくても、効率よく放熱することができる。
【０１６４】
その結果、半導体モジュールを、冷却性能及び信頼性を確保しながら薄型化することができる。
【０１６５】
なお、本変形例においては、半導体装置１０ａの代わりに半導体装置１０ｂ又は半導体装置１０ｃを用いても同様の効果を有する。
【０１６６】
（第２の実施の形態の第４の変形例）
次に、図１３を参照し、本発明の第１の実施の形態の第４の変形例について説明する。
【０１６７】
図１３は、本変形例に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【０１６８】
本変形例に係る半導体モジュールは、半導体装置が１つである点で、第２の実施の形態に係る半導体モジュールと相違する。
【０１６９】
図１３を参照するに、第２の実施の形態において、複数の半導体装置が第１の絶縁部材及び第２の絶縁部材を介して第１の冷却器及び第２の冷却器の各々と接合されるのと相違し、本変形例に係る半導体モジュール５０ｄは、１つの半導体装置１０が第１の絶縁部材５１及び第２の絶縁部材５２を介して第１の冷却器５３及び第２の冷却器５４と接合される。
【０１７０】
１つの半導体装置１０で構成される回路に対応した半導体モジュールとして本変形例に係る半導体モジュール５０ｄを用いることにより、半導体モジュールを、冷却性能及び信頼性を確保しながら小型化することができる。
【０１７１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１７２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る半導体装置の第１の製造方法を模式的に示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る半導体装置の第２の製造方法を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る半導体装置の製造方法を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールを説明するための図であり、インバータ回路を示す回路図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る半導体モジュールの製造方法を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の第１の変形例に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態の第２の変形例に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態の第３の変形例に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の第４の変形例に係る半導体モジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【図１４】従来の半導体モジュールの例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１７３】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  半導体装置
１１、１１ａ、１１ｃ  半導体素子
１２、１２ａ、１２ｃ  電極板
１３、１３ａ  放熱板
１４  第１の貫通孔
１５  第２の貫通孔
１６、１６ａ、１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ  半田
１７、１７ａ、１７ｃ  突起部
１８、１８ａ、１８ｃ  絶縁層
２２、２２ｂ、２２ｃ、２３、２３ａ  半田ペースト
２４  凹部
３０  インバータ回路
３１、３２、３３、３４、３５、３６  半導体装置
４１、４２、４３、４４、４５、４６  ダイオード
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ  半導体モジュール
５１  第１の絶縁部材
５２  第２の絶縁部材
５３  第１の冷却器
５４  第２の冷却器
５５  ボルト
５６  樹脂
５７、５８  冷却水路
５９  金属板
【図１】
2009272483.tif 000003
【図２】
2009272483.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
2009272483.tif 000009
【図７】
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【図８】
2009272483.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2009272483.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2009272483.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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