JP5621812B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却器の上に絶縁層を介して半導体実装体を配置させた半導体装置に関する。

従来より、一定電源を交流に変換する電力変換装置が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、特許文献１では、直流電源を平滑化するコンデンサと、平滑コンデンサにより平滑された直流電源を所定の交流電源に変換する電力変換モジュールとを備えた電力変換装置が提案されている。

上記電力変換モジュールは、複数のスイッチング素子と、各スイッチング素子のべ一ス信号を制御するゲートドライブ基板とを備えている。この電力変換モジュールによってインバータ回路が構成されている。そして、電力変換モジュールの各構成要素と平滑コンデンサは、パスバーを介してそれぞれ電気的に接続されている。

また、電力変換装置においては、平滑コンデンサや各スイッチング素子の冷却のためのヒートシンクを備えている。ヒートシンクの側面の空間にバスバー配線が配置されている。ヒートシンクは液体冷媒による冷却方式とされ、ヒートシンク内に液体冷媒が流れることによって、ヒートシンクに接する平滑コンデンサや各スイッチング素子が冷却される。

特許第３６４６０４９号公報

しかしながら、上記従来の技術では、バスバー配線を介した電気的接続を行っているため、電位の異なるバスバー配線が空間にいくつも配置されることになる。このため、異なる電位の各バスバー配線がそれぞれ接触しないように絶縁距離を確保しつつ配置しなければならず、空間における各バスバー配線の配置が制限されてしまうという問題がある。

このように、空間におけるバスバー配線の配置が制限されるにもかかわらず、近年のＥＨＶ車両の普及・高性能化に伴い、インバータ回路にはコスト低減の要求や小型化・軽量化の要求が高まってきている。低コスト化や軽量化にはスイッチング素子の小型化が有効な方法の一つであるが、これらを成り立たせるためには以下の問題が生じる。

まず、第１に、スイッチング素子の小型化を実現するためには、放熱性の向上が必要になる。上記のように、通常、水冷によるスイッチング素子等の冷却が行われるが、水冷構造において、放熱の障害になるのは絶縁層や冷媒への熱伝達の部分である。放熱性を高めるには、熱流速低減が重要であるが、スイッチング素子を小型化すると発熱密度が上昇するため、熱拡散させるために放熱板を厚く、また面積を広くする必要がある。しかし、半導体実装体や電力変換器の体格の拡大および重量の拡大を招くという問題が生じる。

また、第２に、電力変換装置そのものの小型化を実現するために、上述のように、バスバー配線の絶縁距離の確保、配線断面積の確保が必要になる。すなわち、電位が露出するバスバー配線間や筐体に対して、規定の絶縁距離（空間・沿面距離）が必要である。上記のように、特許文献１における電力変換装置では、ヒートシンクの側面の空間にバスバー配線を配置しているため、電力変換装置そのものが小型化されると、各バスバー配線の絶縁距離を確保することが困難になる。したがって、スイッチング素子の小型化が困難になるという問題がある。

ここで、仮に、バスバー配線を絶縁被覆したとしても、バスバー配線と各スイッチング素子の端子等を接合するためには、該絶縁被覆を剥いだり、接合後にバスバー配線を再び絶縁被覆する必要があり、コストアップとなってしまう。

本発明は、上記の第１および第２の問題を解決することにより、電力変換を行う半導体装置において、低コスト・軽量化と小型化とを両立することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷却に寄与する第１冷却面（１１）が設けられた第１冷却器（１０）と、第１冷却面（１１）の上に配置された第１絶縁層（３０）と、半導体素子（６４〜６７）と、半導体素子（６４〜６７）に熱的および電気的に接続された放熱板（６１、６２）と、放熱板（６１、６２）のうち半導体素子（６４〜６７）が接続された面とは反対側の面が露出すると共に放熱板（６１、６２）のうち長手方向の両端部（６１ａ、６２ａ）が露出するように半導体素子（６４〜６７）および放熱板（６１、６２）を封止したモールド樹脂（７２）とを備えて構成された複数の半導体実装体（６０）とを備え、複数の半導体実装体（６０）は、放熱板（６１、６２）が第１絶縁層（３０）に接することで第１絶縁層（３０）の上にそれぞれ配置されており、複数の半導体実装体（６０）のうち隣り合う半導体実装体（６０）においてモールド樹脂（７２）から露出した各放熱板（６１、６２）の端部（６１ａ、６２ａ）どうしが電気的に接続されることで各放熱板（６１、６２）が半導体素子（６４〜６７）に対する共通の配線とされると共に、各放熱板（６１、６２）およびその端部（６１ａ、６２ａ）は、第１絶縁層（３０）に接していて、第１絶縁層（３０）を介して第１冷却面（１１）によって冷却されることを特徴とする。

これによると、放熱板（６１、６２）がヒートシンクとして機能し、該放熱板（６１、６２）およびその端部（６１ａ、６２ａ）が第１絶縁層（３０）に接していて、第１絶縁層（３０）を介して第１冷却器（１０）によって冷却されるため、放熱板（６１、６２）の放熱面から第１冷却面（１１）までに介する面の数を少なくすることができる。すなわち、熱が一方の部材の面から他方の部材の面に伝達する際の熱の伝達ロスが少なくなるため、放熱板（６１、６２）の放熱性を向上させることができる。この場合、半導体実装体（６０）における放熱板（６１、６２）の長手方向のサイズを隣の半導体実装体（６０）の放熱板（６１、６２）まで大きくすることができ、このことによっても放熱性を向上させることができる。したがって、半導体素子（６４〜６７）を小型化すると発熱密度が上昇するが、上記の放熱板（６１、６２）によって半導体素子（６４〜６７）の放熱性を確保できるので、半導体素子（６４〜６７）を小型化することができる。

また、放熱板（６１、６２）が各半導体実装体（６０）における共通の配線としても機能するため、複数の半導体実装体（６０）ごとにバスバー配線を設ける必要がないし、放熱板（６１、６２）自体がバスバー配線となるため、該放熱板（６１、６２）を単純に構成することができる。そして、該放熱板（６１、６２）は半導体実装体（６０）の一部であり、各半導体実装体（６０）を繋げていく構成となるから、放熱板（６１、６２）の絶縁距離の制約は問題にならずない。このため、半導体実装体（６０）を小型化することができる。さらに、配線部品の数を減らすことができるので低コスト化および軽量化を図ることができる。

以上のように、放熱板（６１、６２）をヒートシンクおよび配線として機能させることで、半導体装置の低コスト・軽量化と半導体素子（６４〜６７）の小型化とを両立させることができる。

また、請求項１に記載の発明では、各放熱板（６１、６２）の端部（６１ａ、６２ａ）どうしは、連結部（８０、９０）によって接続されることで電気的に接続されていることを特徴とする。これにより、前記各放熱板（６１、６２）の端部（６１ａ、６２ａ）どうしを確実に電気的に接続することができる。

さらに、請求項１に記載の発明では、半導体素子（６４〜６７）には、一方の面に放熱板（６１、６２）が接続されると共に他方の面にも放熱板（６３）が熱的および電気的に接続され、半導体素子（６４〜６７）の一方の面に接続された放熱板（６１、６２）の反対側の面および該放熱板（６１、６２）のうち長手方向の両端部（６１ａ、６２ａ）が露出すると共に他方の面に接合された放熱板（６３）の反対側の面とがそれぞれ露出するように、半導体素子（６４〜６７）および放熱板（６１〜６３）がそれぞれ封止されており、半導体実装体（６０）のうち、半導体素子（６４〜６７）の他方の面に接続された放熱板（６３）が露出する面の上に配置された第２絶縁層（４０）と、冷却に寄与する第２冷却面（２１）を有し、この第２冷却面（２１）が第２絶縁層（４０）に接触させられた第２冷却器（２０）とを備えていることを特徴とする。

これにより、半導体実装体（６０）を両面放熱構造とすることができる。また、該半導体実装体（６０）を第１冷却器（１０）および第２冷却器（２０）で挟んだ両面冷却構造とすることができ、放熱性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、複数の半導体実装体（６０）それぞれは、半導体素子（６４〜６７）として第１半導体素子（６４、６５）と第２半導体素子（６６、６７）とを備え、放熱板（６１、６２）として、第１半導体素子（６４、６５）が熱的および電気的に接続された第１放熱板（６１）と、第２半導体素子（６６、６７）が熱的および電気的に接続された第２放熱板（６２）とを備え、第１放熱板（６１）のうち第１半導体素子（６４、６５）が接続された面とは反対側の面が露出すると共に第１放熱板（６１）のうち長手方向の両端部（６１ａ）が露出するように、また、第２放熱板（６２）のうち第２半導体素子（６６、６７）が接続された面とは反対側の面が露出すると共に第２放熱板（６２）のうち長手方向の両端部（６２ａ）が露出するように、さらに、第１放熱板（６１）と第２放熱板（６２）とが離間するように、モールド樹脂（７２）によって第１半導体素子（６４、６５）、第２半導体素子（６６、６７）、第１放熱板（６１）、および第２放熱板（６２）が封止されており、複数の半導体実装体（６０）は、第１放熱板（６１）および第２放熱板（６２）が第１絶縁層（３０）に接することで第１絶縁層（３０）の上にそれぞれ配置されており、複数の半導体実装体（６０）のうち隣り合う半導体実装体（６０）においてモールド樹脂（７２）から露出した第１放熱板（６１）の端部（６１ａ）どうしが電気的に接続されることで第１放熱板（６１）が第１半導体素子（６４、６５）に対する共通の配線とされると共に、第２放熱板（６２）の端部（６２ａ）どうしが電気的に接続されることで第２放熱板（６２）が第２半導体素子（６６、６７）に対する共通の配線とされており、さらに、第１放熱板（６１）および第２放熱板（６２）は第１絶縁層（３０）を介して第１冷却面（１１）によって冷却されることを特徴とする。

このように、半導体実装体（６０）に複数の半導体素子（６４〜６７）が備えられたものにおいても、各半導体素子（６４〜６７）に対応した第１放熱板（６１）および第２放熱板（６２）をそれぞれヒートシンク兼バスバー配線として用いることができる。

請求項３に記載の発明では、第１放熱板（６１）の端部（６１ａ）どうしは、第１連結部（８０）によって接続されることで電気的に接続されており、第２放熱板（６２）の端部（６２ａ）どうしは、第２連結部（９０）によって接続されることで電気的に接続されていることを特徴とする。

これにより、第１放熱板（６１）の端部（６１ａ）どうし、および第２放熱板（６２）の端部（６２ａ）どうしを確実に電気的に接続することができる。

請求項４に記載の発明では、半導体実装体（６０）は電力変換器を構成するものであり、半導体実装体（６０）に備えられた第１放熱板（６１）および第２放熱板（６２）において、第１放熱板（６１）のうち第１半導体素子（６４、６５）が接合された面とは反対側の面と第２放熱板（６２）のうち第２半導体素子（６６、６７）が接合された面とは反対側の面とは同一平面に配置されており、第１放熱板（６１）および第２放熱板（６２）のうちの一方が電力変換器の直流電源の陽極の電位とされ、他方が電力変換器の直流電源の陰極の電位とされることを特徴とする。

これにより、各半導体実装体（６０）を並列に接続することができ、ひいては各半導体実装体（６０）間の寄生インダクタンスを低減することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の一部の側面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視図である。 本発明の第２実施形態に係る放熱配線シートおよび第１冷却器の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第５実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第６実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第７実施形態に係る半導体装置の一部の側面図である。 図９のＣ−Ｃ断面図である。 図９のＤ−Ｄ矢視図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。以下で示される半導体装置は、例えばインバータ装置などの電力変換装置に適用されるものである。

図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の一部の側面図である。また、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ矢視図である。以下、図１〜図３を参照して説明する。

図１に示されるように、半導体装置は、第１冷却器１０と、第２冷却器２０と、第１絶縁層３０と、第２絶縁層４０と、放熱配線シート５０と、複数の半導体実装体６０とを備えている。

第１冷却器１０および第２冷却器２０は、各半導体実装体６０を冷却するものである。このような第１冷却器１０および第２冷却器２０は、３枚の金属板の各金属板でコルゲートフィンが挟まれた構造をなしており、冷媒として水が内部に流れる構造になっている。

第１冷却器１０には冷却に寄与する第１冷却面１１が設けられ、第２冷却器２０には冷却に寄与する第２冷却面２１が設けられている。

第１絶縁層３０および第２絶縁層４０は、絶縁を図るための絶縁シートである。第１絶縁層３０は第１冷却器１０の第１冷却面１１の上に配置され、第１冷却器１０と放熱配線シート５０とを絶縁する役割を果たす。一方、第２絶縁層４０は第２冷却器２０の第２冷却面２１の上に配置され、第２冷却器２０と半導体実装体６０とを絶縁する役割を果たす。

このような第１絶縁層３０および第２絶縁層４０は、セラミック基板やエポキシ樹脂にセラミックフィラーを混ぜたシート、アルミナ溶射膜やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の高熱伝導と絶縁を両立するものである。

放熱配線シート５０は、各半導体実装体６０に対して、ヒートシンクとバスバー配線とを兼用した役割を果たすものである。このような放熱配線シート５０は、第１金属板５１と、第２金属板５２と、第１絶縁物５３と、第２絶縁物５４と、第３絶縁物５５とを備えている。

第１金属板５１および第２金属板５２はそれぞれ離間しており、第１金属板５１は第１絶縁物５３と第２絶縁物５４とに挟まれ、第２金属板５２は第２絶縁物５４と第３絶縁物５５とに挟まれている。すなわち、第２絶縁物５４が第１金属板５１と第２金属板５２とに挟まれたものが、第１絶縁物５３と第３絶縁物５５とによって挟まれて一体化された構成になっている。これにより、第２絶縁物５４によって第１金属板５１と第２金属板５２とが確実に絶縁される。また、第１絶縁物５３によって第１金属板５１と外部とが確実に絶縁され、第３絶縁物５５によって第２金属板５２と外部とが確実に絶縁される。

第１金属板５１および第２金属板５２は、配線として機能できると共にヒートシンクとしても機能できるように、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などにより形成されている。一方、第１絶縁物５３、第２絶縁物５４、および第３絶縁物５５としては、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）やポリイミド等の絶縁皮膜が採用される。また、放熱配線シート５０の厚さは、例えば２〜３ｍｍ程度である。

このような放熱配線シート５０は、第１絶縁層３０の上に配置され、第１金属板５１および第２金属板５２が共に第１絶縁層３０に接触した状態になっている。

複数の半導体実装体６０それぞれは、第１放熱板６１と、第２放熱板６２と、第３放熱板６３と、４つの半導体素子６４〜６７と、４つのターミナル６８〜７１と、モールド樹脂７２とを備えている。

第１放熱板６１、第２放熱板６２、および第３放熱板６３は、各半導体素子６４〜６７で発生した熱を半導体実装体６０の外部に放出するヒートシンクとしての役割と、各半導体素子６４〜６７を外部と電気的に接続するための電極としての役割を果たすものである。

各放熱板６１〜６３は、例えばプレス加工等により形成される。各放熱板６１〜６３の材質は、少なくとも導電性に優れた材料であれば良く、Ｃｕ、Ａｌ、またはそれらの合金系が採用される。各放熱板６１〜６３の実装面ははんだ付け等の表面処理として、Ｎｉめっきや必要に応じＡｕめっきされていても良い。

各半導体素子６４〜６７は、チップ状をなしており、ＩＧＢＴ、ＭＯＳトランジスタ、ダイオード等の半導体素子が形成されたものであり、チップの表裏にはんだ付け等される電極が形成されたものである。

これら各半導体素子６４〜６７、各ターミナル６８〜７１、各放熱板６１〜６３は、はんだなどの接合部材７３によって熱的および電気的に接続されている。なお、接合部材７３として銀ペースト等を用いても構わない。

具体的には、２つの半導体素子６４、６５の裏面は接合部材７３を介してそれぞれ第１放熱板６１に接合され、これら半導体素子６４、６５の表面は接合部材７３を介してそれぞれターミナル６８、６９に接合されている。また、各ターミナル６８、６９は接合部材７３を介して第３放熱板６３に接合されている。

一方、他の２つの半導体素子６６、６７の裏面は接合部材７３を介してそれぞれ第３放熱板６３に接合され、これら半導体素子６６、６７の表面は接合部材７３を介してそれぞれターミナル７０、７１に接合されている。また、各ターミナル７０、７１は接合部材７３を介して第２放熱板６２に接合されている。第１放熱板６１と第２放熱板６２とは同一平面に配置されている。

モールド樹脂７２は、半導体実装体６０の外観をなすものである。このモールド樹脂７２は、第１放熱板６１のうち２つの半導体素子６４、６５が接合された面とは反対側の面、第２放熱板６２のうちターミナル７０、７１を介して他の２つの半導体素子６６、６７が接合された面とは反対側の面、および第３放熱板６３のうちターミナル６８、６９を介して２つの半導体素子６４、６５が接合されると共に他の２つの半導体素子６６、６７が接合された面とは反対側の面がそれぞれ露出するように、各放熱板６１〜６３、各半導体素子６４〜６７、各ターミナル６８〜７１をそれぞれ封止している。これにより、半導体実装体６０は両面放熱構造となっている。

なお、各半導体素子６４〜６７は駆動信号を入力するためのリードにワイヤを介して接続されており、該リードの一部が露出するように、リードおよびワイヤがモールド樹脂７２で封止されている。

モールド樹脂７２の材質として、例えばエポキシ系樹脂が採用される。モールド樹脂７２については、表裏の放熱面の露出および形状の精度（平面度／平行度／厚さ精度）を平面加工等で得ることができる。

これにより、図３に示されるように、モールド樹脂７２から第１放熱板６１および第２放熱板６２が露出することとなる。さらに、各半導体実装体６０が並べられた方向に第１放熱板６１が一列になるように配置されている。第２放熱板６２についても同様に一列に配置されている。

このような半導体実装体６０において、図３に示された半導体実装体６０の第１放熱板６１および第２放熱板６２が放熱配線シート５０の第１金属板５１および第２金属板５２の上にそれぞれ配置される。本実施形態では、図２に示されるように、第１金属板５１および第２金属板５２の幅は、第１放熱板６１および第２放熱板６２の幅よりも大きくなっている。

そして、第１放熱板６１が第１金属板５１に接触させられ、第２放熱板６２が第２金属板５２に接触させられている。これにより、第１放熱板６１は第１金属板５１および第１絶縁層３０を介して第１冷却器１０の第１冷却面１１によって冷却され、第２放熱板６２は第２金属板５２および第１絶縁層３０を介して第１冷却器１０の第１冷却面１１によって冷却される。

一方、第１金属板５１は、複数の半導体実装体６０の各第１放熱板６１にそれぞれ接触させられている。このため、第１金属板５１が各第１放熱板６１に対する共通の配線とされて第１放熱板６１それぞれに電気的に接続される。また、第２金属板５２は、複数の半導体実装体６０の各第２放熱板６２にそれぞれ接触させられている。このため、第２金属板５２が第２放熱板６２に対する共通の配線とされて第２放熱板６２それぞれに電気的に接続される。

このように、第１金属板５１および第２金属板５２は共にバスバー配線として機能すると共に、ヒートシンクとしても機能する。したがって、第１金属板５１および第２金属板５２は、図示しない電気回路に接続されている。

第１金属板５１および第２金属板５２がヒートシンクとして機能するとなると、第１金属板５１と第１放熱板６１とを合わせた厚さが実質的なヒートシンクの厚さとなる。同等に、第２金属板５２と第２放熱板６２とを合わせた厚さが実質的なヒートシンクの厚さとなる。

また、各半導体実装体６０において、第３放熱板６３が露出した面には、第２絶縁層４０が配置されている。そして、上述のように、第２絶縁層４０は第２冷却器２０の第２冷却面２１の上に配置され、第２冷却器２０と半導体実装体６０とを絶縁している。これにより、各半導体実装体６０を第１冷却器１０および第２冷却器２０で挟んだ両面冷却構造とすることができ、放熱性を向上させることができる。

このように、本実施形態に係る半導体装置は、第１冷却器１０、第１絶縁層３０、放熱配線シート５０、半導体実装体６０、第２絶縁層４０、第２冷却器２０が順に積層された構成となっている。該積層したものを加圧接触させることでインバータ等の電力変換装置としての半導体装置が構成される。この場合、第１放熱板６１と第１金属板５１との接触、および第２放熱板６２と第２金属板５２との接触を良好にするため、単純な圧接やねじ止め、はんだや超音波溶接等による接合、導電性接着剤による接着などの方法を採用することができる。リペア性を考えると、圧接やねじ止めが望ましい。

以上のように、放熱配線シート５０の第１金属板５１および第２金属板５２をヒートシンクとして機能させると共に、バスバー配線としての共通の配線としても機能させることにより、以下の効果が得られる。

まず、半導体実装体６０の第１放熱板６１には第１金属板５１が積層され、第２放熱板６２には第２金属板５２が積層されるため、等価的に第１放熱板６１および第２放熱板６２がそれぞれ厚くなる。これにより、熱拡散（熱の広がり）の熱抵抗を下げる効果が得られる。さらに、各金属板５１、５２は第１冷却器１０の第１冷却面１１全体に渡って連続的して接触しているため、接触面積が大きく、放熱性が向上する。よって、半導体素子６４〜６７のサイズの小型化による低コスト化、電力変換器全体の小型化が可能となる。

また、第１金属板５１および第２金属板５２は、半導体実装体６０の第１放熱板６１および第２放熱板６２にそれぞれ接触している。このため、第１放熱板６１および第２放熱板６２に対する外部接続端子が不要になる。したがって、絶縁距離の制約が発生する端子を減らすことが可能となり、絶縁距離の制約が発生する部位を減らすことができる。また、第１金属板５１および第２金属板５２自身も各絶縁物５３〜５５によって絶縁処理されているため、半導体装置の外部に対して絶縁距離の制約が発生する部位は殆どなくなる。よって、電力変換器全体の小型化が可能となる。

そして、各金属板５１、５２を互いに近接して並行配置することが可能となる。このため、各金属板５１、５２の間の寄生インダクタンスを低減することができる。また、バスバー配線としての各金属板５１、５２と半導体実装体６０とを短距離で接続することが可能となるため、各金属板５１、５２と半導体実装体６０と間の寄生インダクタンスも低減できる。したがって、半導体実装体６０のスイッチング速度に依存するサージを抑えることができ、電力変換器としての半導体装置の損失（発熱）を減らすことが可能となる。このため、各放熱板６１、６２の小型化や、半導体素子６４〜６７の小型化が促進される。

さらに、バスバー配線としての各金属板５１、５２を冷却しながら使用することができるので、熱設計の許す限り、各金属板５１、５２の断面積をそれぞれ小さくでき、小型・軽量化が可能になる。あるいは、比重の大きなＣｕに替わり、Ａｌなど比重が小さく電気伝導率がＣｕに劣る材料を採用し易くなり、軽量化が可能になる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、第１、第２半導体素子６４、６５が特許請求の範囲の第１半導体素子に対応し、第３、第４半導体素子６６、６７が特許請求の範囲の第２半導体素子に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図４は、本実施形態に係る放熱配線シート５０および第１冷却器１０の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。この図に示されるように、本実施形態に係る放熱配線シート５０は、第１金属板５１と、第２金属板５２と、各金属板５１、５２に挟まれた第２絶縁層４０とによって構成されている。

また、第１冷却器１０は第１冷却面１１の反対側にも第１冷却面１１を有している。第１冷却器１０の一方の第１冷却面１１および他方の第１冷却面１１すべてを覆うように、一方の第１冷却面１１の上および他方の第１冷却面１１の上に第１絶縁層３０がそれぞれ配置されている。

そして、この第１絶縁層３０の上に放熱配線シート５０が配置されている。この場合、第１金属板５１および第２金属板５２はＵ字状にそれぞれ折り曲げられており、Ｕ字状の第１金属板５１の一方の先端部が一方の第１冷却面１１の上の第１絶縁層３０の上に配置され、Ｕ字状の第１金属板５１の他方の先端部が他方の第１冷却面１１の上の第１絶縁層３０の上に配置されている。第２金属板５２についても同様である。これにより、第１冷却器１０の各第１冷却面１１に第１絶縁層３０がそれぞれ配置されたものがＵ字状の第１金属板５１の両先端部および第２金属板５２の両先端部に挟まれた構造になっている。

さらに、Ｕ字状の各金属板５１、５２の上に第３絶縁層５６が配置されている。これにより、各金属板５１、５２と外部との絶縁が図られている。

以上の構成により、各金属板５１、５２が第１冷却器１０の一方の第１冷却面１１だけでなく他方の第１冷却面１１によっても冷やされる。このため、各金属板５１、５２の冷却面積が増え、ひいては半導体実装体６０の冷却効率を高めることが可能となる。

また、第１冷却器１０の他方の第１冷却面１１側にも各金属板５１、５２が配置される。このため、Ｕ字状の各金属板５１、５２の他方の先端部に対する電気的な接続を行うことが可能となる。すなわち、各金属板５１、５２の他方の先端部が第３絶縁層５６から露出させて電気的な接続を行えば良い。

具体的には、電力変換器として用いられる半導体装置では、平滑コンデンサ等の電子部品が接続されることが一般的である。したがって、本実施形態のように、第１冷却器１０の第１冷却面１１にまで各金属板５１、５２が配置されていることで、各金属板５１、５２の他方の先端部に平滑コンデンサ等の電子部品を接続することができる。すなわち、各金属板５１、５２の他方の先端部において第１冷却器１０とは反対側に平滑コンデンサ等を配置すると共に電気的に接続することができる。

これにより、半導体実装体６０と平滑コンデンサ等の電子部品とを短距離で電気的に接続することができる。このため、半導体実装体６０と平滑コンデンサ等の電子部品との間の寄生インダクタンスを低減することができ、ひいては半導体装置を小型化することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図５は、本実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。この図に示されるように、本実施形態では、放熱配線シート５０を構成する第１、第３絶縁物５３、５５それぞれは、第１冷却器１０、第１絶縁層３０、放熱配線シート５０、半導体実装体６０、第２絶縁層４０、第２冷却器２０が積層された方向に延びた位置決め部５７、５８を備えている。

各位置決め部５７、５８は各冷却器１０、２０よりも外側にそれぞれ位置している。このような位置決め部５７、５８により、第１冷却器１０、第１絶縁層３０、および半導体実装体６０は、第１絶縁物５３の位置決め部５７と第３絶縁物５５の位置決め部５８とによって挟まれることとなる。これにより、第１冷却器１０、第１絶縁層３０、半導体実装体６０、第２絶縁層４０、および第２冷却器２０に対してそれぞれ位置決めを容易にすることが可能となる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図６は、本実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。この図に示されるように、半導体実装体６０において、モールド樹脂７２は、第１、第２放熱板６１、６２が露出した面に、該面が第３放熱板６３側に凹んだ溝部７４を有している。この溝部７４は、第１放熱板６１と第２放熱板６２との間に設けられている。一方、放熱配線シート５０の第２絶縁物５４は、半導体実装体６０側に突出した凸部５９を有している。

そして、放熱配線シート５０の上に半導体実装体６０が配置されるに際し、第２絶縁物５４の凸部５９がモールド樹脂７２の溝部７４に嵌め合わされる。これにより、放熱配線シート５０に対する半導体実装体６０の位置決めが容易になる。すなわち、第１金属板５１や第２金属板５２に対する第１放熱板６１や第２放熱板６２の位置決めを容易にすることができる。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図７は、本実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。この図に示されるように、第１冷却器１０は、第１冷却面１１が凹んだ第１凹部１２および第２凹部１３を有している。第１凹部１２は、第１冷却面１１の上に半導体実装体６０が配置されたときに第１放熱板６１が第１冷却面１１に投影された場所に設けられている。同様に、第２凹部１３は、第１冷却面１１の上に半導体実装体６０が配置されたときに第２放熱板６２が第１冷却面１１に投影された場所に設けられている。

また、第１絶縁層３０は第１冷却面１１の第１凹部１２および第２凹部１３に沿って第１冷却面１１の上に配置されている。そして、第１金属板５１は第１絶縁層３０を介して第１凹部１２に配置され、第２金属板５２は第１絶縁層３０を介して第２凹部１３に配置されている。

このような状態で、半導体実装体６０それぞれは、第１金属板５１および第２金属板５２の上に配置される。これによると、第１放熱板６１が第１金属板５１に接触し、第２金属板５２が第２放熱板６２に接触することとなる。

したがって、第１金属板５１の側面が第１絶縁層３０を介して第１凹部１２の壁面に冷却されると共に、第２金属板５２の側面が第１絶縁層３０を介して第２凹部１３の壁面に冷却される。このため、第１放熱板６１および第２放熱板６２の放熱性を向上させることが可能となる。

（第６実施形態）
本実施形態では、第５実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図８は、本実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する図である。この図に示されるように、図７に示された第１絶縁層３０に半導体実装体６０側に突出した凸部３１が設けられている。一方、半導体実装体６０のモールド樹脂７２には、第１放熱板６１と第２放熱板６２とが露出した面に、第１放熱板６１と第２放熱板６２との間が凹んだ溝部７４が設けられている。

そして、第１絶縁層３０の凸部３１がモールド樹脂７２の溝部７４に嵌め合わされることとなる。これにより、第１冷却器１０に対する半導体実装体６０の位置決め、各金属板５１、５２に対する各放熱板６１、６２の位置決めを容易にすることができる。

（第７実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図９は、本実施形態に係る半導体装置の一部の側面図である。また、図１０は図９のＣ−Ｃ断面図、図１１は図９のＤ−Ｄ矢視図である。以下、図９〜図１１を参照して説明する。

図１０に示されるように、本実施形態に係る半導体装置は、第１冷却器１０と、第２冷却器２０と、第１絶縁層３０と、第２絶縁層４０と、複数の半導体実装体６０とを備えている。

複数の半導体実装体６０の断面構造については、図２に示されたものと同様である。そして、本実施形態では、図１１に示されるように、半導体実装体６０それぞれの第１放熱板６１および第２放熱板６２がモールド樹脂７２から突出している。

具体的には、第１放熱板６１のうち第１、第２半導体素子６４、６５が接合された面とは反対側の面が露出すると共に第１放熱板６１のうち長手方向の両端部６１ａがモールド樹脂７２から露出している。また、第２放熱板６２のうち第３、第４半導体素子６６、６７が接合された面とは反対側の面が露出すると共に第２放熱板６２のうち長手方向の両端部６２ａがモールド樹脂７２から露出している。上記各放熱板６１、６２は、第１実施形態と同様に、それぞれが離間してモールド樹脂７２に封止されている。

そして、第１冷却器１０の第１冷却面１１の上に第１絶縁層３０が配置され、この第１絶縁層３０の上に上記構造の複数の半導体実装体６０が並べられている。すなわち、各半導体実装体６０は、第１放熱板６１および第２放熱板６２が第１絶縁層３０に接することで第１絶縁層３０の上にそれぞれ配置されている。これにより、第１放熱板６１および第２放熱板６２は、第１絶縁層３０を介して第１冷却面１１によって冷却される。

また、第１絶縁層３０の上に並べられた各半導体実装体６０のうち隣り合う半導体実装体６０において、モールド樹脂７２から露出した第１放熱板６１の端部６１ａどうしが電気的に接続されている。本実施形態では、図１０に示されるように、ネジ８１および板部材８２で構成された第１連結部８０によって連結されている。すなわち、各第１放熱板６１の両端部６１ａが板部材８２によって押さえ付けられ、ネジ８１でねじ止めされている。これにより、各半導体実装体６０の各第１放熱板６１が電気的に接続され、第１、第２半導体素子６４、６５に対する共通の配線とされる。

同様に、モールド樹脂７２から露出した第２放熱板６２の端部６２ａどうしが、ネジ９１および板部材９２で構成された第２連結部９０によって連結されている。これにより、各半導体実装体６０の各第２放熱板６２が電気的に接続され、第３、第４半導体素子６６、６７に対する共通の配線とされる。

このように、第１連結部８０によって第１放熱板６１どうしを接続し、第２連結部９０によって第２放熱板６２どうしを接続することで、各々を確実に電気的に接続することが可能となる。

そして、半導体実装体６０の構成要素である第１放熱板６１および第２放熱板６２がバスバー配線として機能すると共にヒートシンクとしても機能する。

また、第１実施形態と同様に、各半導体実装体６０において、第３放熱板６３が露出した面の上に第２絶縁層４０が配置され、該第２絶縁層４０の上に第２冷却器２０が配置されている。これにより、半導体実装体６０と第２冷却器２０の第２冷却面２１とが絶縁されている。

以上が本実施形態に係る半導体装置である。上記のように、半導体実装体６０に備えられた第１放熱板６１および第２放熱板６２をバスバー配線兼ヒートシンクとして用いることにより、各放熱板６１、６２が第１絶縁層３０を介して第１冷却器１０によって冷却される。このため、各放熱板６１、６２の放熱面から第１冷却面１１までに介する面の数を第１実施形態における半導体装置よりも少なくすることができる。すなわち、本実施形態に係る半導体装置では、各放熱板６１、６２から熱が第１絶縁層３０に直接伝達されるため、熱が一方の部材の面から他方の部材の面に伝達する際の熱の伝達ロスが少なくなる。したがって、各放熱板６１、６２の放熱性を向上させることができる。

また、図１１に示されるように、モールド樹脂７２に封止された各放熱板６１、６２の長手方向の長さは、図３に示された各放熱板６１、６２の長手方向の長さよりも長くなっている。このため、半導体実装体６０における各放熱板６１、６２の放熱面積を大きくすることができるので、放熱性を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、各金属板５１、５２のような別部材が不要となっている。また、バスバー配線として機能する各放熱板６１、６２は半導体実装体６０の一部であり、各半導体実装体６０を繋げていく構成となるから、各放熱板６１、６２の絶縁距離の制約が問題になることはない。したがって、半導体実装体６０を小型化することができる。さらに、各金属板５１、５２のような別部材が不要となるので、配線部品の数を減らすことができ、低コスト化および軽量化を図ることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、半導体実装体６０を両面で冷却する構造について説明したが、これは一例を示したものであり、他の構造であっても良い。例えば、半導体実装体６０に第１放熱板６１および第２放熱板６２のみが備えられた片面放熱構造でも良い。この場合は、各半導体素子６４〜６７の接続は、ワイヤボンドやリボン状の超音波接合でも良いし、封止方法は金型に露出させたい放熱板を当接させて成形すれば良い。

また、半導体実装体６０の構造は、少なくとも半導体素子が放熱板に接合され、該放熱板のうち半導体素子が接合された面とは反対側の面が露出するように、半導体素子および放熱板がモールド樹脂によって封止されていれば良い。すなわち、第１放熱板６１のみがモールド樹脂７２から露出した構造でも良い。これに伴い、第１〜第６実施形態については、半導体実装体６０から露出した放熱板の数に応じた数の金属板を用いれば良い。例えば半導体実装体６０から露出した放熱板が１枚ならば、これに対応して金属板は１枚となる。該金属板を用いて放熱配線シート５０を構成するならば、１枚の金属板を絶縁物で挟んだものとなる。

第１〜第６実施形態では、放熱配線シート５０は、各金属板５１、５２と各絶縁物５３〜５５とで構成されていたが、半導体装置は、金属板５１、５２のみを用いた構成であっても良い。例えば、第１絶縁層３０の上に各金属板５１、５２が離間して配置され、各金属板５１、５２の上に各放熱板６１、６２が接触するように半導体実装体６０が配置されることとなる。この場合、各金属板５１、５２の間は空間となる。各金属板５１、５２については、絶縁性を確保するために絶縁物によってコーティングされていることが好ましい。

各金属板５１、５２において第１絶縁層３０に接触する面には、必要に応じ放熱グリスを印刷等により塗布しても良い。

第３実施形態で示された各位置決め部５７、５８については、第１冷却器１０等の積層方向の高さや、各金属板５１、５２および各絶縁物５３〜５５が並べられた方向の位置は一例を示したものであり、図５に限定されるものではない。例えば、該高さがもっと低くても、あるいは該位置が半導体実装体６０側に位置していても良いし、各位置決め部５７、５８が第１冷却器１０側のみであるとか第２冷却器２０側のみに設けられていても良い。

第７実施形態では、第１、第２連結部８０、９０によって各放熱板６１、６２の電気的接続を図っていたが、これは一例を示したものであり、他の方法によって電気的に接続しても良い。例えば、溶接、ワイヤボンディング、はんだなどにより、電気的接続を図ることが可能である。

上記各実施形態では、半導体実装体６０において、第１放熱板６１および第２放熱板６２が同一平面に露出するように封止され、半導体実装体６０において第１、第２放熱板６１、６２の反対側に第３放熱板６３が配置された構成になっている。このような構成において、例えば、第３放熱板６３の電位を第１、第２放熱板６１、６２が露出された面に導き、半導体実装体６０の一つの面で第１〜第３放熱板６１〜６３の各電位を取れるようにしても良い。この場合、第１〜第６実施形態については、金属板が３つ必要になる。

半導体実装体６０の一つの面で第１、第２放熱板６１、６２の各電位を取る場合、半導体実装体６０は電力変換器を構成するものであるから、第１放熱板６１および第２放熱板６２のうちの一方を電力変換器の直流電源の陽極の電位とし、他方を電力変換器の直流電源の陰極の電位とすることができる。この場合、第１、第２金属板５１、５２の上に第１、第２放熱板６１、６２がそれぞれ接触するので、モールド樹脂７２から露出した第１放熱板６１および第２放熱板６２の各面は同一平面に配置される。

このように、第１、第２放熱板６１、６２の電位を決めると、複数の半導体実装体６０を第１金属板５１および第２金属板５２の延設方向に複数並べることで、第１金属板５１と第２金属板５２との間で複数の半導体実装体６０を並列に接続することが可能となる。したがって、各半導体実装体６０の間隔が狭くなり、各半導体実装体６０間の寄生インダクタンスが低減される。もちろん、半導体実装体６０の一つの面に第１〜第３放熱板６１〜６３が露出していたとしても、そのうちの２つを陽極と陰極とにすれば良い。放熱板の数がさらに増えたとしても同様である。

第１冷却器１０や第２冷却器２０は、樹脂やセラミックの他、絶縁材などで構成されていても良い。この場合、第１冷却器１０および第２冷却器２０は絶縁体となるので、第１絶縁層３０を不要とすることができる。

１０ 第１冷却器
１１ 第１冷却面
１２ 第１凹部
１３ 第２凹部
２０ 第２冷却器
２１ 第２冷却面
３０ 第１絶縁層
３１ 第１絶縁層の凸部
５１、５２ 金属板
５３〜５５ 絶縁物
５７、５８ 位置決め部
５９ 第２絶縁物の凸部
６０ 半導体実装体
６１〜６３ 放熱板
６１ａ、６２ａ 端部
６４〜６７ 半導体素子
７２ モールド樹脂
７４ 溝部
８０、９０ 連結部

Claims (4)

1. 冷却に寄与する第１冷却面（１１）が設けられた第１冷却器（１０）と、
   前記第１冷却面（１１）の上に配置された第１絶縁層（３０）と、
   半導体素子（６４〜６７）と、前記半導体素子（６４〜６７）に熱的および電気的に接続された放熱板（６１、６２）と、前記放熱板（６１、６２）のうち前記半導体素子（６４〜６７）が接続された面とは反対側の面が露出すると共に前記放熱板（６１、６２）のうち長手方向の両端部（６１ａ、６２ａ）が露出するように前記半導体素子（６４〜６７）および前記放熱板（６１、６２）を封止したモールド樹脂（７２）とを備えて構成された複数の半導体実装体（６０）とを備え、
   前記複数の半導体実装体（６０）は、前記放熱板（６１、６２）が前記第１絶縁層（３０）に接することで前記第１絶縁層（３０）の上にそれぞれ配置されており、
   前記複数の半導体実装体（６０）のうち隣り合う半導体実装体（６０）において前記モールド樹脂（７２）から露出した前記各放熱板（６１、６２）の端部（６１ａ、６２ａ）どうしが電気的に接続されることで前記各放熱板（６１、６２）が前記半導体素子（６４〜６７）に対する共通の配線とされると共に、前記各放熱板（６１、６２）は、前記第１絶縁層（３０）に接していて、前記第１絶縁層（３０）を介して前記第１冷却面（１１）によって冷却されるように構成され、
   前記各放熱板（６１、６２）の端部（６１ａ、６２ａ）どうしは、連結部（８０、９０）によって接続されることで電気的に接続されるとともに、前記第１絶縁層（３０）に接して前記第１絶縁層（３０）を介して前記第１冷却面（１１）によって冷却されていて、
   前記半導体素子（６４〜６７）には、一方の面に前記放熱板（６１、６２）が接続されると共に他方の面にも放熱板（６３）が熱的および電気的に接続され、前記半導体素子（６４〜６７）の一方の面に接続された前記放熱板（６１、６２）の反対側の面および該放熱板（６１、６２）のうち長手方向の前記両端部（６１ａ、６２ａ）が露出すると共に前記他方の面に接合された前記放熱板（６３）の反対側の面とがそれぞれ露出するように、前記半導体素子（６４〜６７）および前記放熱板（６１〜６３）がそれぞれ封止されており、
   前記半導体実装体（６０）のうち、前記半導体素子（６４〜６７）の他方の面に接続された前記放熱板（６３）が露出する面の上に配置された第２絶縁層（４０）と、
   冷却に寄与する第２冷却面（２１）を有し、この第２冷却面（２１）が前記第２絶縁層（４０）に接触させられた第２冷却器（２０）とを備えていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記複数の半導体実装体（６０）それぞれは、
   前記半導体素子（６４〜６７）として第１半導体素子（６４、６５）と第２半導体素子（６６、６７）とを備え、
   前記放熱板（６１、６２）として、前記第１半導体素子（６４、６５）が熱的および電気的に接続された第１放熱板（６１）と、前記第２半導体素子（６６、６７）が熱的および電気的に接続された第２放熱板（６２）とを備え、
   前記第１放熱板（６１）のうち前記第１半導体素子（６４、６５）が接続された面とは反対側の面が露出すると共に前記第１放熱板（６１）のうち長手方向の両端部（６１ａ）が露出するように、また、前記第２放熱板（６２）のうち前記第２半導体素子（６６、６７）が接続された面とは反対側の面が露出すると共に前記第２放熱板（６２）のうち長手方向の両端部（６２ａ）が露出するように、さらに、前記第１放熱板（６１）と前記第２放熱板（６２）とが離間するように、前記モールド樹脂（７２）によって前記第１半導体素子（６４、６５）、前記第２半導体素子（６６、６７）、前記第１放熱板（６１）、および前記第２放熱板（６２）が封止されており、
   前記複数の半導体実装体（６０）は、前記第１放熱板（６１）および前記第２放熱板（６２）が前記第１絶縁層（３０）に接することで前記第１絶縁層（３０）の上にそれぞれ配置されており、
   前記複数の半導体実装体（６０）のうち隣り合う半導体実装体（６０）において前記モールド樹脂（７２）から露出した前記第１放熱板（６１）の端部（６１ａ）どうしが電気的に接続されることで前記第１放熱板（６１）が前記第１半導体素子（６４、６５）に対する共通の配線とされると共に、前記第２放熱板（６２）の端部（６２ａ）どうしが電気的に接続されることで前記第２放熱板（６２）が前記第２半導体素子（６６、６７）に対する共通の配線とされており、さらに、前記第１放熱板（６１）および前記第２放熱板（６２）は前記第１絶縁層（３０）を介して前記第１冷却面（１１）によって冷却されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１放熱板（６１）の端部（６１ａ）どうしは、第１連結部（８０）によって接続されることで電気的に接続されており、
   前記第２放熱板（６２）の端部（６２ａ）どうしは、第２連結部（９０）によって接続されることで電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体実装体（６０）は電力変換器を構成するものであり、
   前記半導体実装体（６０）に備えられた前記第１放熱板（６１）および前記第２放熱板（６２）において、前記第１放熱板（６１）のうち前記第１半導体素子（６４、６５）が接合された面とは反対側の面と前記第２放熱板（６２）のうち前記第２半導体素子（６６、６７）が接合された面とは反対側の面とは同一平面に配置されており、
   前記第１放熱板（６１）および前記第２放熱板（６２）のうちの一方が前記電力変換器の直流電源の陽極の電位とされ、他方が前記電力変換器の直流電源の陰極の電位とされることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。

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