(57)【要約】  ２個の放熱面に付着した樹脂を除去し２個の放熱面を露出させる研磨工程を不要とし、半導体装置の生産性及び信頼性を向上する。また、液体封止材の漏れ出しを抑制する。半導体装置は、第１の放熱部材、枠部材、第２の放熱部材、半導体素子及び封止樹脂部を備える。第１の放熱部材は、枠部材に埋設されている。枠部材は、枠状部及び位置決め部を備える。位置決め部は、枠状部の内側にある。第２の放熱部材は、位置決め部に当たり、位置決め部により位置決めされる。第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面は、互いに反対の方向を向き、外部に露出する。半導体素子は、第１の放熱部材と第２の放熱部材とに挟まれる。封止樹脂部は、枠部材と第２の放熱部材との間隙を充填する。
2020105556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に露出し第１の方向を向く第１の放熱面を有する第１の放熱部材と、
前記第１の放熱部材が埋設されており、枠状部と前記枠状部の内側にある位置決め部とを備える枠部材と、
外部に露出し前記第１の方向とは反対の第２の方向を向く第２の放熱面を有し、前記位置決め部に当たり、前記位置決め部により位置決めされる第２の放熱部材と、
前記第１の放熱部材と前記第２の放熱部材とに挟まれる半導体素子と、
前記枠部材と前記第２の放熱部材との間隙を充填し、前記半導体素子を封止する封止樹脂部と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記位置決め部は、前記第２の放熱面が前記枠部材から前記第２の方向にはみ出す位置に前記第２の放熱部材を位置決めする
請求項１の半導体装置。
【請求項３】
前記位置決め部は、前記第２の放熱面が前記第１の放熱面に対して傾斜する位置に前記第２の放熱部材を位置決めする
請求項１又は２の半導体装置。
【請求項４】
前記枠状部は、最も前記第２の方向寄りにある端部を有し、
前記枠部材は、前記枠状部の内側にあり前記位置決め部を有し前記端部との間に段差を有する段差部を備える
請求項１から３までのいずれかの半導体装置。
【請求項５】
前記段差部は、半円柱状の形状を有する
請求項４の半導体装置。
【請求項６】
前記第２の放熱部材は、前記第１の方向を向く面を有し、
前記位置決め部は、互いに離れ前記第１の方向を向く面に接触し同一平面を構成する複数の部分を備える
請求項１から５までのいずれかの半導体装置。
【請求項７】
前記第２の放熱部材は、前記第２の放熱面の縁から延び前記縁から前記第１の方向に離れるにつれて内側方向に移動する端面を有する
請求項１から６までのいずれかの半導体装置。
【請求項８】
前記第２の放熱部材は、前記第１の方向を向く面を有し、
前記枠部材は、前記第１の方向に進むにつれて前記第１の方向と垂直をなす方向の幅が狭くなる間隙を挟み前記位置決め部から連続し前記位置決め部より前記第２の方向寄りにあるテーパー面を有する
請求項１から７までのいずれかの半導体装置。
【請求項９】
前記第１の放熱部材及び前記枠部材は、無蓋箱状の形状を形成し、
前記封止樹脂部は、前記無蓋箱状の形状により定義される箱内空間に収まる
請求項１から８までのいずれかの半導体装置。
【請求項１０】
前記第１の放熱部材及び前記枠部材は、無蓋箱状の形状を形成し、
前記第２の放熱部材は、前記無蓋箱状の形状により定義される箱内空間の入口開口の平面形状より小さい平面形状を有する
請求項１から９までのいずれかの半導体装置。
【請求項１１】
前記第２の放熱部材は、前記第２の放熱面の縁から延びる端面を有し、
前記端面の全体は、前記枠状部から離れている
請求項１０の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１の放熱部材及び前記第２の放熱部材の少なくとも一方は、金属又は合金からなり放熱面を有するヒートスプレッダを備える
請求項１から１１までのいずれかの半導体装置。
【請求項１３】
前記第１の放熱部材及び前記第２の放熱部材の少なくとも一方は、金属又は合金からなり放熱面を有するベースと、前記半導体素子に電気的に接続される導体層と、前記ベースを前記導体層から電気的に絶縁する絶縁層と、を備える絶縁回路基板を備える
請求項１から１２までのいずれかの半導体装置。
【請求項１４】
前記半導体素子は、第１の主電極と、第２の主電極と、前記第１の主電極と前記第２の主電極との間の導通状態を制御するための信号電極と、を備え、
前記絶縁回路基板は、前記信号電極に電気的に接続される信号回路をさらに備え、
前記絶縁層は、前記ベースを前記信号回路から電気的に絶縁する
請求項１３の半導体装置。
【請求項１５】
前記第２の放熱部材は、接合先に接合される接合部を備え、前記第２の方向に前記第２の放熱部材を貫通する開口部を前記接合部に有する
請求項１から１４までのいずれかの半導体装置。
【請求項１６】
前記接合先は、前記半導体素子を備える
請求項１５の半導体装置。
【請求項１７】
前記半導体素子に電気的に接続され前記枠部材に埋設されている外部端子をさらに備え、
前記接合先は、前記外部端子を備える
請求項１５又は１６の半導体装置。
【請求項１８】
前記半導体素子は、第１の主電極と、第２の主電極と、前記第１の主電極と前記第２の主電極との間の導通状態を制御するための信号電極と、を備え、
前記第１の主電極に電気的に接続され前記枠部材に埋設され前記枠部材から突出する第１の外部端子と、前記第２の主電極に電気的に接続され前記枠部材に埋設され前記枠部材から前記第１の外部端子が突出する方向と同じ方向に突出する第２の外部端子と、前記信号電極に電気的に接続され前記枠部材に埋設され前記枠部材から前記第１の外部端子が突出する方向と同じ方向に突出する信号端子と、をさらに備える
請求項１から１７までのいずれかの半導体装置。
【請求項１９】
請求項１から１８までのいずれかの半導体装置を有し、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、
を備える電力変換装置。
【請求項２０】
a) 第１の放熱面を有する第１の放熱部材が埋設されており、枠状部と前記枠状部の内側にある位置決め部とを備える枠部材をインサート成形により成形する工程と、
b) 工程a)の後に、前記第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面が互いに反対の方向を向き前記第２の放熱部材が前記位置決め部に当たり前記第２の放熱部材が前記位置決め部により位置決めされるように前記第１の放熱部材と前記第２の放熱部材とで半導体素子を挟む工程と、
c) 工程b)の後に、前記枠部材と前記第２の放熱部材との間隙に封止樹脂からなる液体封止材を流し込み硬化させる工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体素子が実装されたパワーモジュールは、産業機器、家電、情報端末等の製品に搭載され、発電、送電、効率的なエネルギーの利用及び再生等のために利用される。【０００３】
パワーモジュールには、高電圧化及び大電流化のニーズを満たすために、高い放熱性を有することが求められる。このため、パワーモジュール、特に輸送機器用パワーモジュールにおいては、多くの場合は、半導体素子の裏面からだけでなく半導体素子の活性面からも積極的に放熱を行わせることができる両面冷却構造が採用される。【０００４】
両面冷却構造が採用されたパワーモジュールは、多くの場合は、半導体素子、２個の放熱部材及び封止樹脂部を備える。２個の放熱部材は、半導体素子を挟む。封止樹脂部は、トランスファーモールド成形により成形され、半導体素子、及び２個の放熱部材を封止する。２個の放熱部材がそれぞれ有する２個の放熱面は、互いに反対の方向を向き、封止樹脂部に覆われることなく露出する。封止樹脂部は、封止樹脂からなる液体封止材を充填し、充填した液体封止材を硬化させることにより形成される。【０００５】
例えば、特許文献１に記載された半導体装置は、半導体チップ、下側ヒートシンク、ヒートシンクブロック、上側ヒートシンク及び樹脂を備える（段落００１３及び００１９）。半導体チップの下面と下側ヒートシンクの上面との間は、半田によって接合される（段落００１４）。半導体チップの上面とヒートシンクブロックの下面との間は、半田によって接合される（段落００１４）。ヒートシンクブロックの上面と上側ヒートシンクの下面との間は、半田によって接合される（段落００１４）。これにより、半導体チップの両面から下側ヒートシンク及び上側ヒートシンクを介して放熱される（段落００１４）。樹脂は、一対の下側ヒートシンク及び上側ヒートシンクの隙間、並びに半導体チップ及びヒートシンクブロックの周囲部分を充填封止する（段落００１９）。下側ヒートシンクの下面及び上側ヒートシンクの上面は、露出する（段落００２６）。【０００６】
また、両面冷却構造が採用されたパワーモジュールにおいては、放熱部材を位置決めするための構造が採用される場合がある。【０００７】
例えば、特許文献２に記載されたパワーモジュールは、第１の冷却器、ハウジング、回路ユニット、放熱材、第２の冷却器及び封止樹脂体を備える（段落００２５、００２６及び００３１）。回路ユニットは、絶縁基板及び半導体素子を備える（段落００２５）。絶縁基板は、第１の冷却器上に接着される（段落００２５）。半導体素子は、絶縁基板上に載置される（段落００２５）。放熱材は、回路ユニットにはんだ付けされる（段落００２５）。第２の冷却器は、放熱材と接触する（段落００２６）。回路ユニットが収容される収容空間内には、封止樹脂体が形成される（段落００２５及び００３１）。第２の冷却器は、格子状の隔壁に形成される凹溝に嵌め合いされる（段落００２９）。これにより、収容空間と第２の冷却器との間に、樹脂を充填するための隙間が形成される（段落００３０）。【０００８】
また、家電に搭載されるパワーモジュールには、小型軽量化が求められるとともに、高い信頼性を有することが求められ、多品種生産に対応することができる高い生産性を有することが求められる。【０００９】
加えて、パワーモジュールには、高い動作温度及び高い効率を有し今後の主流となる可能性が高いＳｉＣ半導体に適用することができるパッケージ形態を有することも同時に求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１１００６４号公報
【特許文献２】特開２００９−１６４１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
両面冷却構造が採用されたパワーモジュールにおいて２個の放熱面に樹脂が付着した場合は、２個の放熱面を冷却器に接続することが困難になる。このため、２個の放熱面に付着した樹脂を除去し２個の放熱面を露出させる研磨工程が必要になる。【００１２】
しかし、研磨工程は、特殊な装置、及び長い加工時間を必要とし、パワーモジュールの生産性の低下の原因となる。また、研磨工程は、研磨工程において発生した金属粉を洗浄、清掃等により完全に除去しない限り、絶縁不良等のパワーモジュールの信頼性の低下の原因となる。【００１３】
また、両面冷却構造が採用されたパワーモジュールにおいて放熱部材を位置決めするための構造が採用される場合は、当該構造が液体封止材の漏れ出しの原因となる場合がある。例えば、特許文献２に記載されたパワーモジュールにおいては、第２の冷却器と凹溝との間に形成される隙間を経由して液体封止材が漏れ出す可能性がある。この問題は、液体封止材の流動性を確保するために液体封止材が６０℃程度まで加熱されて液体封止材の粘度が２から６Ｐａ・Ｓまで低下させられ、液体封止材がわずかな隙間に侵入しうるようになった場合に特に顕著になる。【００１４】
これらの問題は、複数の半導体素子が実装されたパワーモジュールだけでなく、ひとつの半導体素子が実装されたディスクリート部品においても生じる。【００１５】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされた。本発明が解決しようとする課題は、２個の放熱面に付着した樹脂を除去し２個の放熱面を露出させる研磨工程を不要とし、半導体装置の生産性及び信頼性を向上することである。また、本発明が解決しようとする他の課題は、液体封止材の漏れ出しを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、半導体装置に向けられる。【００１７】
半導体装置は、第１の放熱部材、枠部材、第２の放熱部材、半導体素子及び封止樹脂部を備える。【００１８】
枠部材には、第１の放熱部材が埋設されている。【００１９】
枠部材は、枠状部及び位置決め部を備える。位置決め部は、枠状部の内側にある。第２の放熱部材は、位置決め部に当たり、位置決め部により位置決めされる。【００２０】
第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面は、互いに反対の方向を向き、外部に露出する。【００２１】
半導体素子は、第１の放熱部材と第２の放熱部材とに挟まれる。【００２２】
封止樹脂部は、枠部材と第２の放熱部材との間隙を充填し、半導体素子を封止する。【００２３】
本発明は、当該半導体装置を備える電力変換装置にも向けられる。【００２４】
本発明は、半導体装置の製造方法にも向けられる。【００２５】
当該半導体装置の製造方法においては、第１の放熱面を有する第１の放熱部材が埋設されており、枠状部と当該枠状部の内側にある位置決め部とを備える枠部材がインサート成形により成形される。【００２６】
その後に、第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面が互いに反対の方向を向き、第２の放熱部材が位置決め部に当たり、第２の放熱部材が位置決め部により位置決めされるように、第１の放熱部材と第２の放熱部材とで半導体素子が挟まれる。【００２７】
その後に、枠部材と第２の放熱部材との間隙に封止樹脂からなる液体封止材が流し込まれ硬化させられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、第１の放熱部材が枠部材に埋設され、封止樹脂部が枠部材と第２の放熱部材との間隙を充填する。このため、半導体装置の製造の途上において第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面に樹脂が付着することを抑制することができる。これにより、第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面に付着した樹脂を除去し第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面を露出させる研磨工程が不要になり、半導体装置の生産性及び信頼性を向上することができる。【００２９】
また、本発明によれば、放熱部材を位置決めするための位置決め部が枠状部の内側にある。このため、位置決め部が液体封止材の漏れ出しの原因とならず、液体封止材の漏れ出しを抑制することができる。【００３０】
本発明の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態１のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。
【図２】実施の形態１のパワーモジュールから上面ヒートスプレッダ、第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する上面図である。
【図３】実施の形態１のパワーモジュールから封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解斜視図である。
【図４】実施の形態１のパワーモジュールの図１に描かれた切断線Ａ−Ａの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図５】実施の形態１のパワーモジュールの図１に描かれた切断線Ｂ−Ｂの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図６】実施の形態１のパワーモジュールの製造の流れを示すフローチャートである。
【図７】実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。
【図８】実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。
【図９】実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。
【図１０】実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。
【図１１】実施の形態１の第１の別例のパワーモジュールの図１に描かれた切断線Ａ−Ａの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図１２】実施の形態１の第２の別例のパワーモジュールの図１に描かれた切断線Ａ−Ａの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図１３】実施の形態２のパワーモジュールから第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解上面図である。
【図１４】実施の形態２のパワーモジュールの図１３に描かれた切断線Ｃ−Ｃの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図１５】実施の形態２のパワーモジュールの製造の流れを示すフローチャートである。
【図１６】実施の形態２の別例のパワーモジュールから第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層、第４の上面はんだ層、第５の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解上面図である。
【図１７】実施の形態２の別例のパワーモジュールの図１６に描かれた切断線Ｄ−Ｄの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図１８】実施の形態２の別例のパワーモジュールの図１６に描かれた切断線Ｅ−Ｅの位置におけるを模式的に図示する断面図である。
【図１９】実施の形態３のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。
【図２０】実施の形態３のパワーモジュールの図１９に描かれた切断線Ｆ−Ｆの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図２１】実施の形態４のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。
【図２２】実施の形態４のパワーモジュールから下述する上面ヒートスプレッダ、第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する上面図である。
【図２３】実施の形態４の第１の別例のパワーモジュールの図２１に描かれた切断線Ｇ−Ｇの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図２４】実施の形態４の第１の別例のパワーモジュールの図２１に描かれた切断線Ｈ−Ｈの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図２５】実施の形態４の第１の別例のパワーモジュールの図２１に描かれた切断線Ｉ−Ｉの位置における断面を模式的に図示する断面図である。
【図２６】実施の形態５のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。
【図２７】実施の形態５のパワーモジュールが冷却用の放熱部材に挿入された状態を模式的に図示する断面図である。
【図２８】実施の形態６の電力変換装置を図示するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
１  実施の形態１
１．１  パワーモジュールの概略
図１は、実施の形態１のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。図２は、実施の形態１のパワーモジュールから下述する上面ヒートスプレッダ、第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する上面図である。図３は、実施の形態１のパワーモジュールから下述する封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解斜視図である。図４及び図５は、実施の形態１のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図４及び図５は、それぞれ図１に描かれる切断線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂの位置における断面を図示する。
【００３３】
実施の形態１のパワーモジュール１０００は、図１から図５までに図示されるように、インサートモールドフレーム１０２０、第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２、第１の下面はんだ層１０２３、第２の下面はんだ層１０２４、上面ヒートスプレッダ１０２５、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７、第３の上面はんだ層１０２８、ボンディングワイヤ１０２９及び封止樹脂部１０３０を備える。パワーモジュール１０００がこれらの要素以外を備えてもよい。
【００３４】
１．２  インサートモールドフレーム
インサートモールドフレーム１０２０は、図１から図５までに図示されるように、下面ヒートスプレッダ１０４０、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２、第２の外部端子１０４３及び枠部材１０４４を備える。インサートモールドフレーム１０２０がこれらの要素以外の要素を備えてもよい。下面ヒートスプレッダ１０４０、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３は、枠部材１０４４に埋設されている。
【００３５】
インサートモールドフレーム１０２０は、下面ヒートスプレッダ１０４０、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３を挟み込んだ金型の隙間に樹脂の硬化前流動体を注入し、注入した樹脂の硬化前流動体を硬化させることにより、成形される。このため、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３が枠部材１０４４を貫通する場合でも、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材が漏れ出す隙間が信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３と枠部材１０４４との間に形成されることを抑制することができる。また、インサートモールドフレーム１０２０が成形される際の樹脂の硬化前流動体の注入の圧力は、トランスファーモールドフレームが成形される際のそれよりも低い。このため、インサートモールドフレーム１０２０が成形される際に下面ヒートスプレッダ１０４０の表面等の上に樹脂の硬化物からなる薄い膜が形成されることは起こりにくい。また、当該膜が形成された場合でも、当該膜を除去することは容易である。
【００３６】
１．３  半導体素子、ヒートスプレッダ、信号端子及び外部端子の接合
第１の半導体素子１０２１は、図４及び図５に図示されるように、裏面電極１０６０を備える。第２の半導体素子１０２２は、図４及び図５に図示されるように、裏面電極１０８０を備える。
【００３７】
第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０は、図４及び図５に図示されるように、それぞれ第１の下面はんだ層１０２３及び第２の下面はんだ層１０２４を介して、下面ヒートスプレッダ１０４０の上面１１００にはんだ接合される。これにより、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、下面ヒートスプレッダ１０４０にダイボンドされ、下面ヒートスプレッダ１０４０に機械的及び熱的に結合され、下面ヒートスプレッダ１０４０に電気的に接続される。
【００３８】
第１の半導体素子１０２１は、図２から図５までに図示されるように、表面電極１０６１をさらに備える。第２の半導体素子１０２２は、図２から図５までに図示されるように、表面電極１０８１をさらに備える。
【００３９】
第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１及び第２の半導体素子１０２２の表面電極１０８１は、図４及び図５に図示されるように、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６及び第２の上面はんだ層１０２７を介して、上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０にはんだ接合される。これにより、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、上面ヒートスプレッダ１０２５にダイボンドされ、上面ヒートスプレッダ１０２５に機械的及び熱的に結合され、上面ヒートスプレッダ１０２５に電気的に接続される。
【００４０】
第１の半導体素子１０２１は、図２から図５までに図示されるように、信号電極１０６２をさらに備える。信号電極１０６２は、ボンディングワイヤ１０２９を介して、信号端子１０４１に電気的に接続される。
【００４１】
第１の外部端子１０４２は、図４に図示されるように、下面ヒートスプレッダ１０４０の上面１１００に接合される。これにより、第１の外部端子１０４２が、下面ヒートスプレッダ１０４０に電気的に接続される。また、第１の外部端子１０４２が、下面ヒートスプレッダ１０４０を介して、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０に電気的に接続される。
【００４２】
第２の外部端子１０４３は、図５に図示されるように、第３の上面はんだ層１０２８を介して、上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０にはんだ接合される。これにより、第２の外部端子１０４３が、上面ヒートスプレッダ１０２５に電気的に接続される。また、第２の外部端子１０４３が、上面ヒートスプレッダ１０２５を介して、第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１及び第２の半導体素子１０２２の表面電極１０８１に電気的に接続される。
【００４３】
はんだを接合媒体として用いるはんだ接合が、他の種類の接合に置き換えられてもよい。例えば、はんだ接合が、導電性接着剤の硬化物、Ａｇ焼結材、Ｃｕ焼結材等を接合媒体として用いる接合に置き換えられてもよい。導電性接着剤は、例えばエポキシ樹脂及びＡｇフィラーを含む。Ａｇフィラーは、エポキシ樹脂に分散させられている。Ａｇ焼結材及びＣｕ焼結材は、それぞれＡｇナノ粒子及びＣｕナノ粒子を低温焼成することにより得られる。
【００４４】
１．４  放熱経路
下面ヒートスプレッダ１０４０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間には、図４及び図５に図示されるように、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が挟まれる。第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が発した熱は、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５を通過し、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１から放たれる。また、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１は、第１の方向Ｄ１を向き、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１は、第１の方向Ｄ１とは反対の第２の方向Ｄ２を向く。これにより、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が放熱面となり、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が、それぞれ両面冷却構造を構成する第１の放熱部材及び第２の放熱部材となる。
【００４５】
下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１は、樹脂に覆われることなく外部に露出する。これにより、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１を冷却器に密着させることができ、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１から効率的に熱を放つことができる。
【００４６】
１．５  半導体素子の封止
封止樹脂部１０３０は、封止樹脂の硬化物からなり、図４及び図５に図示されるように、インサートモールドフレーム１０２０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙１１４０を充填する。間隙１１４０の主要部分は、下面ヒートスプレッダ１０４０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙、及び枠部材１０４４と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙からなる。これにより、下面ヒートスプレッダ１０４０と上面ヒートスプレッダ１０２５とに挟まれる第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が封止される。
【００４７】
１．６  上面ヒートスプレッダの位置決め
枠部材１０４４は、図２及び図３に図示されるように、枠状部１１６０及び段差部１１６１を備える。
【００４８】
枠状部１１６０は、枠状の形状を有する。段差部１１６１は、枠状部１１６０の内側にある。段差部１１６１の段差面１１８０は、枠状部１１６０の最も第２の方向Ｄ２寄りにある端部１２００との間に段差を有する。上面ヒートスプレッダ１０２５は、段差部１１６１の段差面１１８０に当たり、段差部１１６１の段差面１１８０により位置決めされる。これにより、段差部１１６１の段差面１１８０が上面ヒートスプレッダ１０２５を位置決めする位置決め部となり、上面ヒートスプレッダ１０２５が望ましい位置に位置決めされ、パワーモジュール１０００の厚さの精度を向上することができる。
【００４９】
当該望ましい位置は、図４及び図５に図示されるように、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が枠部材１０４４から第２の方向Ｄ２にわずかにはみ出す位置である。これにより、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材が上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１にかぶることを抑制することができ、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１に樹脂が付着することを抑制することができる。
【００５０】
上面ヒートスプレッダ１０２５が位置決めされる位置は、インサートモールドフレーム１０２０の底面から段差部１１６１の段差面１１８０までの高さにより決まる。当該高さは、段差部１１６１が枠状部１１６０のどこに配置されるかにより決まる。段差部１１６１の段差面１１８０は、互いに離れた複数の部分１１７１，１１７２，１１７３及び１１７４を備える。複数の部分１１７１，１１７２，１１７３及び１１７４は、同一平面を構成し、上面ヒートスプレッダ１０２５の、第１の方向Ｄ１を向く下面１１２０に接触する。これにより、上面ヒートスプレッダ１０２５が、段差部１１６１の段差面１１８０の複数の部分１１７１，１１７２，１１７３及び１１７４により構成される同一平面上に位置決めされる。また、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８の厚さを望ましい厚さに維持することができ、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８が過剰につぶれることを抑制することができる。
【００５１】
段差部１１６１は、図２及び図３に図示されるように、望ましくは第２の方向Ｄ２に伸びる半円柱状の形状を有する。これにより、インサートモールドフレーム１０２０のインサート成形に用いられる金型を作製する際に加工が容易になり、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材を箱内空間１２２０に注入する際に段差部１１６１が液体封止材の流れを阻害することを抑制することができる。
【００５２】
１．７  インサートモールドフレーム内への封止樹脂部の収容
下面ヒートスプレッダ１０４０及び枠部材１０４４は、図３、図４及び図５に図示されるように、側壁が主に枠状部１１６０により構成され、底が主に下面ヒートスプレッダ１０４０により構成される無蓋箱状の形状を形成する。封止樹脂部１０３０は、当該無蓋箱状の形状により定義される箱内空間１２２０に収まり、箱内空間１２２０からはみ出さない。これにより、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材が上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１にかぶることをさらに抑制することができ、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１に樹脂が付着することをさらに抑制することができる。
【００５３】
１．８  液状封止材の注入位置
上面ヒートスプレッダ１０２５は、図１から図５までに図示されるように、箱内空間１２２０の入口開口の平面形状より小さい平面形状を有する。また、上面ヒートスプレッダ１０２５は、枠状部１１６０に載ることなく枠状部１１６０内に収容することができる形状を有する。これにより、上面ヒートスプレッダ１０２５と枠状部１１６０との間に図１、図２及び図５に図示される隙間１２６０が形成され、形成された隙間１２６０から封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材をインサートモールドフレーム１０２０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙１１４０に容易に注入することができる。上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２は、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１の縁から上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０の縁まで延びる。上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２の全体は、枠状部１１６０から離れている。これにより、上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２の全体と枠状部１１６０との間に空間が形成される。当該空間には、インサートモールドフレーム１０２０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙１１４０に液体封止材が注入される際に、液体封止材を吐出するノズルが挿入される。当該空間によれば、箱内空間１２２０内のガスの入れ替わりが容易になる。
【００５４】
１．９  封止樹脂部の材質
封止樹脂は、ダイレクトポッティング樹脂である。ダイレクトポッティング樹脂は、エポキシ樹脂、及びシリカフィラー等のフィラーを含む。フィラーは、エポキシ樹脂に分散させられている。ダイレクトポッティング樹脂が、インサートモールドフレーム１０２０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙１１４０に流し込むことができ、常温で、又は加熱若しくは紫外線（ＵＶ）照射により硬化させることができる他の種類の液体封止材に置き換えられてもよい。例えば、ダイレクトポッティング樹脂が液状ゲルに置き換えられてもよい。
【００５５】
１．１０  ヒートスプレッダの材質
下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５は、Ｃｕからなる。Ｃｕが、高い放熱性、高い導電性及び高いはんだ濡れ性を有する他の種類の金属又は合金に置き換えられてもよい。例えば、ＣｕがＮｉ、又はＮｉを主成分とする合金に置き換えられてもよい。
【００５６】
１種類の金属からなる下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が、２種類以上の金属又は合金からなるヒートスプレッダに置き換えられてもよい。例えば、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が、高い放熱性及び高い導電性を有する金属又は合金からなる母材、並びに高いはんだ濡れ性を有する金属又は合金からなる最表面層からなるヒートスプレッダに置き換えられてもよい。母材は、望ましくはＣｕ、Ａｌ若しくはＮｉ、又はＣｕ、Ａｌ若しくはＮｉを主成分として含む合金からなる。母材は、高いはんだ濡れ性を有する金属又は合金により構成される必要はなく、Ａｌ等の高いはんだ濡れ性を有しない金属又は合金により構成されてもよい。最表面層は、望ましくはＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ若しくはＡｇ、又はＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ若しくはＡｇを主成分として含む合金からなる。
【００５７】
１．１１  枠部材の材質
枠部材１０４４は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂の硬化物からなる。ＰＰＳ樹脂が、他の種類の樹脂に置き換えられてもよい。例えば、ＰＰＳ樹脂が、液晶ポリマー（ＬＣＰ）樹脂に置き換えられてもよい。
【００５８】
１．１２  半導体素子の裏面電極及び表面電極の材質
第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び表面電極１０６１、並びに第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０及び表面電極１０８１は、はんだ、Ａｇ焼結材等の接合媒体を用いて接合先に接合することができる材質からなり、望ましくはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ若しくはＰｔ、又はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ若しくはＰｔを主成分として含む合金からなる。
【００５９】
１．１３  ボンディングワイヤの材質
ボンディングワイヤ１０２９は、Ａｌワイヤである。Ａｌワイヤが他の種類の導体ワイヤに置き換えられてもよい。例えば、Ａｌワイヤが、Ｃｕワイヤ、Ａｌ被覆Ｃｕワイヤ、Ａｕワイヤ等に置き換えられてもよい。
【００６０】
１．１４  第１の半導体素子及び第２の半導体素子の種類
第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２は、パワー半導体素子である。
【００６１】
第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び表面電極１０６１は、それぞれ第１の半導体素子１０２１の第１の主電極及び第２の主電極である。第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２は、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０と第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１との間の導通状態を制御するための電極である。第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２には、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０と第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１との間の導通状態を制御するための信号が入力される。
【００６２】
第１の半導体素子１０２１は、例えばＳｉ半導体である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。また、第２の半導体素子１０２２は、例えばダイオードである。第１の半導体素子１０２１がＩＧＢＴであり第２の半導体素子１０２２がダイオードである場合は、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０、表面電極１０６１及び信号電極１０６２は、それぞれＩＧＢＴのコレクタ、エミッタ及びゲートである。また、第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０及び表面電極１０８１は、それぞれダイオードのカソード及びアノードである。この場合は、パワーモジュール１０００は、インバータの１個のアームを構成することができ、当該ＩＧＢＴからなるスイッチング素子、及び当該ダイオードからなる還流ダイオードの対が１対だけ内蔵された１ｉｎ１のモジュール構成を有する。コレクタとエミッタとが入れ替えられアノードとカソードとが入れ替えられてもよい。
【００６３】
第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、集積回路（ＩＣ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等であってもよい。
【００６４】
１．１５  寸法の例
下面ヒートスプレッダ１０４０は、例えば外形寸法３５ｍｍ×２２ｍｍ及び厚さ３ｍｍを有する。信号端子１０４１は、例えば厚さ０．４ｍｍを有する。第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３は、例えば厚さ０．８ｍｍを有する。枠部材１０４４は、例えば外形寸法４８ｍｍ×２８ｍｍ及び高さ６．２ｍｍを有する。第１の半導体素子１０２１がＩＧＢＴである場合は、当該ＩＧＢＴは、例えば外形寸法１５ｍｍ×１５ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有する。第２の半導体素子１０２２がダイオードである場合は、当該ダイオードは、例えば外形寸法１５ｍｍ×１５ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有する。上面ヒートスプレッダ１０２５は、例えば外形寸法３０ｍｍ×２０ｍｍ及び厚さ３ｍｍを有する。段差部１１６１の段差面１１８０は、例えば底面からの高さ３．６ｍｍを有する。
【００６５】
１．１６  パワーモジュールの製造方法
図６は、実施の形態１のパワーモジュールの製造の流れを示すフローチャートである。図７から図１０までは、実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。
【００６６】
パワーモジュール１０００の製造においては、図６に示される工程Ｓ１０１からＳ１０５までが順次に実行される。
【００６７】
工程Ｓ１０１においては、図７に図示されるインサートモールドフレーム１０２０がインサート成形により成形される。図７に図示されない第１の外部端子１０４２は、この段階で下面ヒートスプレッダ１０４０に既に接合されている。
【００６８】
工程Ｓ１０２においては、図７に図示されるように第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２がそれぞれ第１の下面はんだシート１３００及び第２の下面はんだシート１３０１を挟んで下面ヒートスプレッダ１０４０上に置かれた中間品が準備される。また、当該中間品がリフロー炉により加熱される。これにより、第１の下面はんだシート１３００及び第２の下面はんだシート１３０１が、それぞれ第１の下面はんだ層１０２３及び第２の下面はんだ層１０２４に変化し、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が下面ヒートスプレッダ１０４０にはんだ接合される。
【００６９】
工程Ｓ１０３においては、図８に図示されるように、ボンディングワイヤ１０２９の一端が第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２にボンディングされ、ボンディングワイヤ１０２９の他端が信号端子１０４１にボンディングされる。これにより、第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２は、ボンディングワイヤ１０２９を介して、信号端子１０４１に電気的に接続される。
【００７０】
工程Ｓ１０４においては、上面ヒートスプレッダ１０２５が段差部１１６１の段差面１１８０上に置かれた中間品が準備される。その際には、図９に図示されるように、上面ヒートスプレッダ１０２５が、それぞれ第１の上面はんだシート１３０３、第２の上面はんだシート１３０４及び第３の上面はんだシート１３０５を挟んで第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３上に配置される。また、当該中間品がリフロー炉により加熱される。これにより、第１の上面はんだシート１３０３、第２の上面はんだシート１３０４及び第３の上面はんだシート１３０５が、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８に変化し、第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３が上面ヒートスプレッダ１０２５にはんだ接合される。
【００７１】
工程Ｓ１０２及びＳ１０４により、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が互いに反対の方向に向くように、下面ヒートスプレッダ１０４０と上面ヒートスプレッダ１０２５とで第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が挟まれ、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２を挟んで互いに対向する。
【００７２】
工程Ｓ１０５においては、図１０に図示されるように、ダイレクトポッティング樹脂１３２０が６０℃に加熱された状態で間隙１１４０に流し込まれ、流し込まれたダイレクトポッティング樹脂１３２０に対して真空脱泡及び加熱が行われる。加熱は、１．５時間に渡って１００℃を維持した後に１．５時間に渡って１４０℃を維持する加熱プロファイルにしたがって行われる。これにより、流し込まれたダイレクトポッティング樹脂１３２０が硬化し封止樹脂部１０３０に変化し、図１から図５までに図示されるパワーモジュール１０００が完成する。
【００７３】
完成したパワーモジュール１０００は、工程Ｓ１０４において上面ヒートスプレッダ１０２５が段差部１１６１の段差面１１８０上に置かれることにより、枠部材１０４４の高さ５．２ｍｍより厚い総厚６．６ｍｍを有する。これにより、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が枠部材１０４４から突出し、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１を冷却器に確実に接触させることができる。
【００７４】
１．１７  実施の形態１の効果
実施の形態１によれば、下面ヒートスプレッダ１０４０が枠部材１０４４に埋設され、封止樹脂部１０３０が枠部材１０４４と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙を充填する。このため、パワーモジュール１０００の製造の途上において下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１に樹脂が付着することを抑制することができる。これにより、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１に付着した樹脂を除去し下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１を露出させる研磨工程が不要になり、パワーモジュール１０００の生産性及び信頼性を向上することができる。
【００７５】
また、実施の形態１によれば、上面ヒートスプレッダ１０２５を位置決めするための、段差部１１６１の段差面１１８０が枠状部１１６０の内側にある。このため、段差部１１６１の段差面１１８０が封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材の漏れ出しの原因とならず、液体封止材の漏れ出しを抑制することができる。
【００７６】
１．１８  変形例
パワーモジュール１０００は、１個の第１の半導体素子１０２１及び１個の第２の半導体素子１０２２からなる合計２個の半導体素子が実装された半導体装置である。合計１個の半導体素子が実装された半導体装置であるディスクリート部品、又は合計３個以上の半導体素子が実装された半導体装置であるパワーモジュールにおいて上述した技術が採用されてもよい。３個以上の半導体素子が実装されたパワーモジュールにおいて上述した技術が採用される場合は、ＩＧＢＴからなるスイッチング素子、及びダイオードからなる還流ダイオードの対が２対以上内蔵されたモジュール構成をパワーモジュールが有してもよい。例えば、パワーモジュールが、当該対が２対内蔵された２ｉｎ１のモジュール構成を有してもよく、当該対が６対内蔵された６ｉｎ１のモジュール構成を有してもよい。
【００７７】
１．１９  上面ヒートスプレッダの形状の別例
図１１は、実施の形態１の第１の別例のパワーモジュールの断面を模式的に図示する断面図である。図１２は、実施の形態１の第２の別例のパワーモジュールの断面を模式的に図示する断面図である。図１１及び図１２は、図１に描かれた切断線Ａ−Ａの位置における断面を図示する。
【００７８】
図１１に図示される実施の形態１の第１の別例のパワーモジュール１０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２が、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１の縁から上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０の縁まで延びる。下面１１２０が占める面積は、上面１１２１が占める面積より小さい。端面１１２２は、上面１１２１の縁から第１の方向Ｄ１に離れるにつれて連続的に内側方向に移動する斜め面である。
【００７９】
図１２に図示される実施の形態１の第２の別例のパワーモジュール１０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２が、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１の縁から上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０の縁まで延びる。下面１１２０が占める面積は、上面１１２１が占める面積より小さい。上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２は、上面１１２１の縁から第１の方向Ｄ１に離れるにつれて不連続的に内側方向に移動する段差形成面である。
【００８０】
上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２が上述した斜め面又は段差形成面である場合は、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材が上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１上に這い上がることを抑制することができる。
【００８１】
２  実施の形態２
２．１  実施の形態１と実施の形態２との主な相違点
図１３は、実施の形態２のパワーモジュールから第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解上面図である。図１４は、実施の形態２のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図１４は、図１３に描かれる切断線Ｃ−Ｃの位置における断面を図示する。
【００８２】
図１３及び図１４に図示される実施の形態２のパワーモジュール２０００は、主に下記の相違点で図１から図５までに図示される実施の形態１のパワーモジュール１０００と相違する。
【００８３】
実施の形態１のパワーモジュール１０００は、１個の第１の半導体素子１０２１及び１個の第２の半導体素子１０２２からなる合計２個の半導体素子が実装された半導体装置である。これに対して、実施の形態２のパワーモジュール２０００は、２個の第１の半導体素子１０２１及び２個の第２の半導体素子１０２２からなる合計４個の半導体素子が実装された半導体装置である。
【００８４】
また、実施の形態１のパワーモジュール１０００においては、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が、それぞれ両面冷却構造を構成する第１の放熱部材及び第２の放熱部材となる。これに対して、実施の形態２のパワーモジュール２０００においては、下面絶縁回路基板２０４０及び上面絶縁回路基板２０２５が、それぞれ両面冷却構造を構成する第１の放熱部材及び第２の放熱部材となる。
【００８５】
以下では、上記の相違点に関連して実施の形態２のパワーモジュール２０００において採用される構成が説明される。説明されない構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０００において採用された構成が実施の形態２のパワーモジュール２０００においても採用される。
【００８６】
２．２  絶縁回路基板の構造
下面絶縁回路基板２０４０は、図１４に図示されるように、ベース２４００、絶縁層２４０１及び導体層２４０２を備える。下面絶縁回路基板２０４０は、ベース２４００上に絶縁層２４０１及び導体層２４０２が積層された積層構造を有する。絶縁層２４０１は、ベース２４００と導体層２４０２との間にあり、ベース２４００を導体層２４０２から電気的に絶縁する。
【００８７】
上面絶縁回路基板２０２５は、図１４に図示されるように、ベース２４２０、絶縁層２４２１及び導体層２４２２を備える。上面絶縁回路基板２０２５は、ベース２４２０上に絶縁層２４２１及び導体層２４２２が積層された構造を有する。絶縁層２４２１は、ベース２４２０と導体層２４２２との間にあり、ベース２４２０を導体層２４２２から電気的に絶縁する。導体層２４２２は、図１３に図示されるように、パワーモジュール２０００を２ｉｎ１のモジュール構成を有するパワーモジュールにするために必要な回路配線を形成するパターンを有する。
【００８８】
実施の形態１のパワーモジュール１０００に備えられる下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５の両方又は片方が下面絶縁回路基板２０４０及び上面絶縁回路基板２０２５の積層構造と同様の積層構造を有する絶縁回路基板に置き換えられてもよい。
【００８９】
２．３  インサートモールドフレーム
下面絶縁回路基板２０４０は、実施の形態１のパワーモジュール１０００に備えられる下面ヒートスプレッダ１０４０と同様に、図１３及び図１４に図示されるように、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３とともに枠部材１０４４に埋設され、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２、第２の外部端子１０４３及び枠部材１０４４とともにインサートモールドフレーム１０２０を構成する。
【００９０】
２．４  半導体素子、絶縁回路基板及び外部端子の接合
第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０は、図１４に図示されるように、それぞれ第１の下面はんだ層１０２３及び第２の下面はんだ層１０２４を介して、下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２の上面２４４０にはんだ接合される。これにより、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、下面絶縁回路基板２０４０にダイボンドされ、下面絶縁回路基板２０４０に機械的及び熱的に結合され、導体層２４０２に電気的に接続される。
【００９１】
第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１及び第２の半導体素子１０２２の表面電極１０８１は、図１４に図示されるように、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６及び第２の上面はんだ層１０２７を介して、上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２の下面２４６０にはんだ接合される。これにより、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、上面絶縁回路基板２０２５にダイボンドされ、上面絶縁回路基板２０２５に機械的及び熱的に結合され、導体層２４２２に電気的に接続される。
【００９２】
第１の外部端子１０４２は、下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２に接合される。これにより、第１の外部端子１０４２が導体層２４０２に電気的に接続される。また、第１の外部端子１０４２が、下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２を介して、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０に電気的に接続される。
【００９３】
第２の外部端子１０４３は、図１４に図示されるように、第３の上面はんだ層１０２８を介して、上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２の下面２４６０にはんだ接合される。これにより、第２の外部端子１０４３が、上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２に電気的に接続される。また、第２の外部端子１０４３が、上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２を介して、第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１及び第２の半導体素子１０２２の表面電極１０８１に電気的に接続される。
【００９４】
２．５  放熱経路
下面絶縁回路基板２０４０と上面絶縁回路基板２０２５との間には、図１３及び図１４に図示されるように、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が挟まれる。第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が発した熱は、下面絶縁回路基板２０４０及び上面絶縁回路基板２０２５を通過し、下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００から放たれる。また、ベース２４２０の下面２４８０は、第１の方向Ｄ１を向き、ベース２４００の上面２５００は、第１の方向Ｄ１とは反対の第２の方向Ｄ２を向く。これにより、ベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００が放熱面となり、下面絶縁回路基板２０４０及び上面絶縁回路基板２０２５が、それぞれ両面冷却構造を構成する第１の放熱部材及び第２の放熱部材となる。
【００９５】
２．６  上面絶縁回路基板の位置決め
上面絶縁回路基板２０２５は、実施の形態１のパワーモジュール１０００に備えられる上面ヒートスプレッダ１０２５と同様に、図１３に図示される段差部１１６１の段差面１１８０に当たり、段差部１１６１の段差面１１８０により位置決めされる。
【００９６】
２．７  絶縁回路基板の材質
下面絶縁回路基板２０４０のベース２４００及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４２０は、Ｃｕからなる。当該Ｃｕが高い放熱性を有する他の種類の金属又は合金に置き換えられてもよい。例えば、当該ＣｕがＡｌに置き換えられてもよい。
【００９７】
下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２及び上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２は、Ｃｕからなる。当該Ｃｕが、高い放熱性、高い導電性及び高いはんだ濡れ性を有する他の種類の導体に置き換えられてもよい。例えば、当該ＣｕがＮｉ又はＮｉを主成分とする合金に置き換えられてもよい。
【００９８】
１種類の導体からなる下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２及び上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２が、２種類以上の導体からなる導体層に置き換えられてもよい。例えば、導体層２４０２及び２４２２が、高い放熱性及び高い導電性を有する導体からなる母材、並びに高いはんだ濡れ性を有する導体からなる最表面層からなる導体層に置き換えられてもよい。母材は、望ましくはＣｕ、Ａｌ若しくはＮｉ、又はＣｕ、Ａｌ若しくはＮｉを主成分として含む合金からなる。母材は、高いはんだ濡れ性を有する金属又は合金により構成される必要はなく、Ａｌ等の高いはんだ濡れ性を有しない金属又は合金により構成されてもよい。最表面層は、望ましくはＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ若しくはＡｇ、又はＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ若しくはＡｇを主成分として含む合金からなる。
【００９９】
下面絶縁回路基板２０４０の絶縁層２４０１及び上面絶縁回路基板２０２５の絶縁層２４２１は、エポキシ樹脂層である。エポキシ樹脂層は、樹脂組成物の硬化物からなる。樹脂組成物は、エポキシ樹脂、及びＢＮ（窒化ホウ素）フィラー、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）フィラー等のフィラーを含む。フィラーは、エポキシ樹脂に分散させられている。当該エポキシ樹脂層が、高い絶縁性及び高い放熱層を有する他の種類の層に置き換えられてもよい。
【０１００】
下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００は、樹脂に覆われることなく外部に露出する。これにより、ベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００を冷却器に密着させることができ、ベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００から効率的に熱を放つことができる。
【０１０１】
２．８  寸法の例
下面絶縁回路基板２０４０は、例えば外形寸法３５ｍｍ×４８ｍｍ及び厚さ３ｍｍを有する。信号端子１０４１は、例えば厚さ０．４ｍｍを有する。第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３は、例えば厚さ０．８ｍｍを有する。枠部材１０４４は、例えば外形寸法４８ｍｍ×５６ｍｍ及び高さ６．２ｍｍを有する。第１の半導体素子１０２１がＩＧＢＴである場合は、当該ＩＧＢＴは、例えば外形寸法１６ｍｍ×１６ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有する。第２の半導体素子１０２２がダイオードである場合は、当該ダイオードは、例えば外形寸法１６ｍｍ×１６ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有する。上面絶縁回路基板２０２５は、外形寸法３０ｍｍ×４４ｍｍ及び厚さ３ｍｍを有する。段差部１１６１の段差面１１８０は、例え底面からの高さ３．６ｍｍを有する。
【０１０２】
２．９  パワーモジュールの製造方法
図１５は、実施の形態２のパワーモジュールの製造の流れを示すフローチャートである。
【０１０３】
パワーモジュール２０００の製造においては、図１５に示される工程Ｓ２０１からＳ２０５までが順次に実行される。
【０１０４】
工程Ｓ２０１においては、インサートモールドフレーム１０２０がインサート成形により成形される。第１の外部端子１０４２は、この段階で下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２に既に接合されている。
【０１０５】
工程Ｓ２０２においては、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２がそれぞれ第１の下面はんだシート及び第２の下面はんだシートを挟んで下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２の上面２４４０上に置かれた中間品が準備される。また、当該中間品がリフロー炉により加熱される。これにより、第１の下面はんだシート及び第２の下面はんだシートが、それぞれ第１の下面はんだ層１０２３及び第２の下面はんだ層１０２４に変化し、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が導体層２４０２にはんだ接合される。
【０１０６】
工程Ｓ２０３においては、ボンディングワイヤ１０２９の一端が第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２にボンディングされ、ボンディングワイヤ１０２９の他端が信号端子１０４１にボンディングされる。これにより、信号電極１０６２は、ボンディングワイヤ１０２９を介して、信号端子１０４１に電気的に接続される。
【０１０７】
工程Ｓ２０４においては、上面絶縁回路基板２０２５が段差部１１６１の段差面１１８０上に置かれた中間品が準備される。その際には、上面絶縁回路基板２０２５がそれぞれ第１の上面はんだシート、第２の上面はんだシート及び第３の上面はんだシートを挟んで第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３上に配置される。また、当該中間品がリフロー炉により加熱される。これにより、第１の上面はんだシート、第２の上面はんだシート及び第３の上面はんだシートが、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８に変化し、第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３が上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２にはんだ接合される。
【０１０８】
工程Ｓ２０２及びＳ２０４により、下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００が互いに反対の方向を向くように、下面絶縁回路基板２０４０と上面絶縁回路基板２０２５とで第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が挟まれる。
【０１０９】
工程Ｓ２０５においては、ダイレクトポッティング樹脂が６０℃に加熱された状態で間隙１１４０に流し込まれ、流し込まれたダイレクトポッティング樹脂に対して真空脱泡及び加熱が行われる。加熱は、１．５時間に渡って１００℃を維持した後に１．５時間に渡って１４０℃を維持する加熱プロファイルにしたがって行われる。これにより、流し込まれたダイレクトポッティング樹脂が硬化し封止樹脂部１０３０に変化し、図１３及び図１４に図示されるパワーモジュール２０００が完成する。
【０１１０】
完成したパワーモジュール２０００は、工程Ｓ２０４において上面絶縁回路基板２０２５が段差部１１６１の段差面１１８０上に置かれることにより、枠部材１０４４の高さ５．２ｍｍより厚い総厚６．６ｍｍを有する。これにより、上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００が枠部材１０４４から突出し、下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００を冷却器に確実に接触させることができる。
【０１１１】
２．１０  実施の形態２の効果
実施の形態２によれば、下面絶縁回路基板２０４０が枠部材１０４４に埋設され、封止樹脂部１０３０が枠部材１０４４と上面絶縁回路基板２０２５との間隙を充填する。このため、パワーモジュール２０００の製造の途上において下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００に樹脂が付着することを抑制することができる。これにより、ベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００に付着した樹脂を除去しベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００を露出させる研磨工程が不要になり、パワーモジュール２０００の生産性及び信頼性を向上することができる。
【０１１２】
また、実施の形態２によれば、上面ヒートスプレッダ１０２５を位置決めするための段差部１１６１の段差面１１８０が枠状部１１６０の内側にある。このため、段差部１１６１の段差面１１８０が封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材の漏れ出しの原因とならず、液体封止材の漏れ出しを抑制することができる。
【０１１３】
加えて、実施の形態２によれば、上面絶縁回路基板２０２５のベース２４２０及び下面絶縁回路基板２０４０のベース２４００が第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２から電気的に絶縁される。このため、上面絶縁回路基板２０２５及び下面絶縁回路基板２０４０をはんだ等の高い熱伝導性を有する接合媒体を介して冷却器に接合することができる。また、２ｉｎ１、６ｉｎ１等のモジュール構成を有するパワーモジュールを容易に作製することができる。
【０１１４】
２．１１  上面絶縁回路基板の構造の別例
図１６は、実施の形態２の別例のパワーモジュールから第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層、第４のはんだ層、第５のはんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解上面図である。図１７及び図１８は、実施の形態２の別例のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図１７及び図１８は、それぞれ図１６に描かれる切断線Ｄ−Ｄ及びＥ−Ｅの位置における断面を図示する。
【０１１５】
図１６、図１７及び図１８に図示される実施の形態２の別例のパワーモジュール２０００においては、上面絶縁回路基板２０２５が、信号回路２４２３を備える。信号電極１０６２は、第４の上面はんだ層２０３１を介して、信号回路２４２３の下面２４６１にはんだ接合される。これにより、信号電極１０６２は、信号回路２４２３に電気的に接続される。また、信号端子１０４１は、第５の上面はんだ層２０３２を介して、信号回路２４２３の下面２４６１にはんだ接合される。これにより、信号端子１０４１は、信号回路２４２３に電気的に接続され、信号回路２４２３を介して信号電極１０６２に電気的に接続される。絶縁層２４２１は、ベース２４２０と導体層２４２２及び信号回路２４２３との間にあり、ベース２４２０を導体層２４２２及び信号回路２４２３から電気的に絶縁する。これにより、信号電極１０６２を信号端子１０４１に電気的に接続するボンディングワイヤを省略することができる。
【０１１６】
段差部１１６１は、段差面１１８０に加えてテーパー面２１８２を有する。テーパー面２１８２は、段差面１１８０より第２の方向Ｄ２寄りにある。テーパー面２１８２は、間隙を挟む。間隙の幅は、第１の方向Ｄ１に進むにつれて第１の方向Ｄ１と垂直をなす方向の幅が狭くなる。これにより、上面絶縁回路基板２０２５は、段差面１１８０上に位置決めされる際に、テーパー面２１８２により第１の方向Ｄ１と垂直をなす方向の特定の位置に誘われ、当該特定の位置に位置決めされる。これにより、上面絶縁回路基板２０２５の位置決めの精度を向上することができる。これにより、第４の上面はんだ層２０３１を介して信号電極１０６２に電気的に接続される信号回路２４２３を備える場合に要求される、第１の半導体素子１０２１に対する上面絶縁回路基板２０２５の高い位置決めの精度を満足することができる。
【０１１７】
３  実施の形態３
３．１  実施の形態１と実施の形態３との主な相違点
図１９は、実施の形態３のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。図２０は、実施の形態３のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図２０は、図１９に描かれる切断線Ｆ−Ｆの位置における断面を図示する。
【０１１８】
図１９及び図２０に図示される実施の形態３のパワーモジュール３０００は、主に下記の相違点で図１から図５までに図示される実施の形態１のパワーモジュール１０００と相違する。
【０１１９】
実施の形態１のパワーモジュール１０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５が、開口部を有しない。これに対して、実施の形態３のパワーモジュール３０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５が、第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２を有する。
【０１２０】
以下では、上記の相違点に関連して実施の形態３のパワーモジュール３０００において採用される構成が説明される。説明されない構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０００において採用された構成が実施の形態３のパワーモジュール３０００においても採用される。
【０１２１】
３．２  上面ヒートスプレッダの接合部及び開口部
上面ヒートスプレッダ１０２５は、図２０に図示されるように、第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２を備える。第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２は、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８を介して接合先である第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３にはんだ接合される。
【０１２２】
上面ヒートスプレッダ１０２５は、第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２をそれぞれ第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２に有する。第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２は、第２の方向Ｄ２に上面ヒートスプレッダ１０２５を貫通する。
【０１２３】
パワーモジュール３０００は、パワーモジュール１０００と同様に製造することができる。したがって、パワーモジュール３０００が製造される際には、第１の上面はんだシート１３０３、第２の上面はんだシート１３０４及び第３の上面はんだシート１３０５をそれぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８に変化させることにより、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８を形成することができる。ただし、パワーモジュール３０００が製造される際には、はんだの溶融物を第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２を経由して注入し、第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２を経由して注入したはんだの溶融物をそれぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８に変化させることにより、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８を形成することもできる。はんだの溶融物に代えてＡｇ焼結材の前駆体であるＡｇナノ粒子を含むペーストが注入されてもよい。パワーモジュール３０００の製造の途上で第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２の全部又は一部にダイレクトポッティング樹脂１３２０が流れ込んでもよい。
【０１２４】
３．３  実施の形態３の効果
実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、パワーモジュール３０００の生産性及び信頼性を向上することができる。また、液体封止材の漏れ出しを抑制することができる。
【０１２５】
加えて、実施の形態３によれば、第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２をそれぞれ第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２から余剰のはんだを逃がすことに用いることができ、第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２が形成されているか否かの検査に用いることができる。
【０１２６】
４  実施の形態４
図２１は、実施の形態４のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。図２２は、実施の形態４のパワーモジュールから上面ヒートスプレッダ、第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する上面図である。図２３、図２４及び図２５は、実施の形態４のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図２３、図２４及び図２５は、それぞれ図２１に描かれる切断線Ｇ−Ｇ、Ｈ−Ｈ及びＩ−Ｉの位置における断面を図示する。
【０１２７】
図２１から図２５までに図示される実施の形態４のパワーモジュール４０００は、主に下記の相違点で図１から図５までに図示される実施の形態１のパワーモジュール１０００と相違する。
【０１２８】
実施の形態１のパワーモジュール１０００においては、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３が、枠部材１０４４から同じ方向に突出する。また、信号端子１０４１が、枠部材１０４４から、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３が突出する方向と反対の方向に突出する。これに対して、実施の形態４のパワーモジュール４０００においては、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３が、枠部材１０４４から同じ方向に突出する。これにより、パワーモジュールを他の装置に組み込む際の組み込みの自由度が高くなる。
【０１２９】
説明されない構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０００において採用された構成が実施の形態４のパワーモジュール４０００においても採用される。実施の形態２のパワーモジュール２０００又は実施の形態３のパワーモジュール３０００において採用された構成が実施の形態４のパワーモジュール４０００においても採用されてもよい。
【０１３０】
５  実施の形態５
図２６は、実施の形態５のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図２７は、実施の形態５のパワーモジュールが冷却用の放熱部材に挿入された状態を模式的に図示する断面図である。
【０１３１】
図２６に図示される実施の形態５のパワーモジュール５０００は、主に下記の相違点で図１から図５までに図示される実施の形態１のパワーモジュール１０００と相違する。
【０１３２】
実施の形態１のパワーモジュール１０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１と平行をなす位置に上面ヒートスプレッダ１０２５が位置決めされる。これに対して、実施の形態５のパワーモジュール５０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１に対して傾斜する位置に上面ヒートスプレッダ１０２５が位置決めされる。上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１を下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１に対して傾斜させることは、段差部１１６１の段差面１１８０の複数の部分１１７１，１１７２，１１７３及び１１７４の高さを互いに異ならせることにより実現することができる。これにより、テーパー状の形状を有するパワーモジュール５０００が得られる。また、図２７に図示されるように、製法上の制約によりパワーモジュール５０００が挿入される挿入穴に抜き勾配がついている場合であっても、挿入穴に挿入されたパワーモジュール５０００に備えられる上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１、及び挿入穴に挿入されたパワーモジュール５０００に備えられる下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１を放熱部材５５００に十分に接触させることができ、放熱性を向上することができる。
【０１３３】
説明されない構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０００において採用された構成が実施の形態５のパワーモジュール５０００においても採用される。実施の形態２のパワーモジュール２０００、実施の形態３のパワーモジュール３０００又は実施の形態４のパワーモジュール４０００において採用された構成が実施の形態５のパワーモジュール５０００において採用されてもよい。
【０１３４】
６  実施の形態６
本実施の形態は、上述した実施の形態１−５にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。実施の形態１−５にかかる半導体装置の適用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実施の形態１−５にかかる半導体装置を適用した場合について説明する。
【０１３５】
図２８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。
【０１３６】
図２８に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００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１００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。
【０１３７】
電力変換装置２００は、電源１００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１００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２００は、図２８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２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
【０１３８】
負荷３００は、電力変換装置２００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。
【０１３９】
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１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１００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２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１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２０１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１−５のいずれかに相当する半導体モジュール２０２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２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
【０１４０】
また、主変換回路２０１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２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール２０２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２０１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２０１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２０３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。
【０１４１】
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１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２０１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２０１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２０１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。
【０１４２】
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１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１−５にかかる半導体モジュールを適用するため、生産性及び信頼性を向上することを実現することができる。
【０１４３】
本実施の形態では、２レベルの三相インバータにて実施の形態１−５にかかる半導体装置を適用する例を説明したが、実施の形態１−５にかかる半導体装置の適用は、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て実施の形態１−５にかかる半導体装置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コンバータにて実施の形態１−５にかかる半導体装置を適用することも可能である。
【０１４４】
また、実施の形態１−５にかかる半導体装置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。
【０１４５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【０１４６】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【０１４７】
１０００，２０００，３０００，４０００，５０００  パワーモジュール、１０２０  インサートモールドフレーム、１０４０  下面ヒートスプレッダ、１０４１  信号端子、１０４２  第１の外部端子、１０４３  第２の外部端子、１０４４  枠部材、１１６０  枠状部、１１６１  段差部、１０２１  第１の半導体素子、１０２２  第２の半導体素子、１０２５  上面ヒートスプレッダ、１０３０  封止樹脂部、１０６０  表面電極、１０６１  裏面電極、１０６２  信号電極、１１７１，１１７２，１１７３，１１７４  複数の部分、２０４０  下面絶縁回路基板、２４００，２４２０  ベース、２４０１，２４２１  絶縁層、２４０２，２４２２  導体層、２４２３  信号回路、２０２５  上面絶縁回路基板、３５００  第１の接合部、３５０１  第２の接合部、３５０２  第３の接合部、３５２０  第１の開口部、３５２１  第２の開口部、３５２２  第３の開口部、１００  電源、２００  電力変換装置、２０１  主変換回路、２０２  半導体モジュール、２０３  制御回路、３００  負荷。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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