JP7433562B1 - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

半導体装置（１）は、複数の半導体モジュール（２）を備える。複数の半導体モジュール（２）の各々は、半導体モジュール（２）の外部に露出された第１面と、第１面とは逆側の第２面とを有するベース板（１３）と、回路パターンが設けられている絶縁基板と、回路パターンに接合された半導体チップと、絶縁基板と半導体チップとを封止する封止部と、封止部からベース板（１３）へ向かう方向とは逆の方向に封止部の内部から引き出されている第１の主電極および第２の主電極と、を備える。半導体モジュール（２）の平面形状は、４つの角部を有し、かつ回転対称性を有する形状である。第１の主電極は、４つの角部のうちの第１の角部および第２の角部の各々において封止部の内部から引き出されている。第２の主電極は、４つの角部のうちの第３の角部および第４の角部の各々において封止部の内部から引き出されている。

Description

本開示は、電力制御用の半導体素子を備える半導体装置に関する。

従来、産業機器または民生機器などの電気機器を設計する設計者は、多くの場合において、電力制御用の半導体装置を製造するメーカーが提供するいくつかのパワーモジュールの中からパワーモジュールを選択して、電気機器を設計する。パワーモジュールは、複数の半導体チップが１つのパッケージに搭載された半導体装置である。メーカーが提供するパワーモジュールの中からパワーモジュールを選択する場合、選択されるパワーモジュールによって、回路配置、または冷却器の形状などが決定されるため、電気機器の外形は、ある程度限られた形状となる。その一方で、電気機器については、形状の自由度を高めたいという要求もある。ただし、パワーモジュールの製造コスト、または、パワーモジュールの信頼性の観点から、電気機器ごとにパワーモジュールを設計し直すことも困難である。

特許文献１には、複数の半導体チップを互いに独立した構成の半導体モジュールに分けて配置し、半導体モジュール同士を接続することによりパワーモジュールと同等の機能を実現可能とした半導体装置が開示されている。特許文献１に開示されている半導体装置の各半導体モジュールは、互いに同様の構成を備える。半導体モジュールに備えられているコレクタ主電極およびエミッタ主電極の各々は、半導体モジュールの上面に到達するように配置されており、外部回路、当該半導体モジュールと隣り合う半導体モジュールに接続可能とされている。例えば、互いに隣り合う半導体モジュール同士が、一方の半導体モジュールのコレクタ主電極と他方の半導体モジュールのエミッタ主電極とが互いに向き合うように配置され、当該コレクタ主電極と当該エミッタ主電極との各々がボルトで導電板に固定される。これにより、当該コレクタ主電極と当該エミッタ主電極とが互いに接続され、かつ、２つの半導体モジュールが互いに固定される。

国際公開第２０１４／０３０２５４号

特許文献１に開示されている半導体装置の各半導体モジュールでは、２つのコレクタ主電極が互いに隣り合い、かつ、２つのエミッタ電極が互いに隣り合う。例えば、互いに隣り合う半導体モジュール同士の各々が、一方の半導体モジュールのコレクタ主電極を他方の半導体モジュールのエミッタ主電極に向かい合わせて配置された場合に、当該一方の半導体モジュールのうち外部回路に接続可能な位置の主電極はエミッタ電極に限られ、当該他方の半導体モジュールのうち外部回路に接続可能な位置の主電極はコレクタ電極に限られる、ということが起こり得る。すなわち、特許文献１に開示されている半導体装置では、半導体モジュール同士の接続の態様が決まると各半導体モジュールの配置も必然的に決まることとなり、各半導体モジュールの配置の自由度が小さいという問題があった。特許文献１に開示されている半導体装置の場合、外部回路との接続の都合に合うように各半導体モジュールの配置を変えることが難しいため、各半導体モジュールの主電極を外部回路に接続するために配線を引き回すといった措置が必要となる場合があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の半導体モジュールの各々を高い自由度で配置可能とする半導体装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる半導体装置は、複数の半導体モジュールを備える。複数の半導体モジュールの各々は、半導体モジュールの外部に露出された第１面と、第１面とは逆側の第２面とを有するベース板と、第２面側に配置されており、回路パターンが設けられている絶縁基板と、回路パターンに接合された半導体チップと、第２面側に設けられており絶縁基板と半導体チップとを封止する封止部と、封止部からベース板へ向かう方向とは逆の方向に封止部の内部から引き出されている第１の主電極および第２の主電極と、を備える。第２面の法線方向から半導体モジュールを見たときの半導体モジュールの平面形状は、４つの角部を有し、かつ回転対称性を有する形状である。第１の主電極は、４つの角部のうちの平面形状の中心を挟んで互いに対向する２つである第１の角部および第２の角部の各々において封止部の内部から引き出されている。第２の主電極は、４つの角部のうちの第１の角部および第２の角部以外の２つである第３の角部および第４の角部の各々において封止部の内部から引き出されている。

本開示にかかる半導体装置によると、複数の半導体モジュールの各々を高い自由度で配置することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる半導体装置の構成例を示す分解斜視図 実施の形態１にかかる半導体装置が有する半導体モジュールの斜視図 実施の形態１にかかる半導体装置が有する半導体モジュールの上面図 実施の形態１にかかる半導体装置が有する半導体モジュールの側面図 実施の形態１にかかる半導体装置が有する半導体モジュールの下面図 実施の形態１にかかる半導体装置が有する半導体モジュールの縦断面図 実施の形態１にかかる半導体装置が有する半導体モジュールの横断面図 実施の形態１にかかる半導体装置が有する半導体モジュールの内部結線図 実施の形態１にかかる半導体装置が基板に実装された状態を示す斜視図 実施の形態１にかかる半導体装置が実装される基板の平面図 実施の形態１における半導体モジュールの組合せパターンの第１の例を示す図 実施の形態１における半導体モジュールの組合せパターンの第２の例を示す図 実施の形態１の第１の変形例にかかる半導体装置を示す斜視図 実施の形態１の第１の変形例にかかる半導体装置を示す上面図 実施の形態１の第２の変形例にかかる半導体装置を示す斜視図 実施の形態１の第２の変形例にかかる半導体装置を示す上面図 実施の形態１の第３の変形例にかかる半導体装置を示す斜視図 実施の形態１の第４の変形例にかかる半導体装置を示す斜視図 実施の形態１の第５の変形例にかかる半導体装置を示す斜視図

以下に、実施の形態にかかる半導体装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる半導体装置１の構成例を示す分解斜視図である。実施の形態１にかかる半導体装置１は、複数の半導体モジュール２を備える。半導体装置１は、複数の半導体モジュール２を統合させた統合モジュールである。複数の半導体モジュール２の各々は、互いに同様の構成を備える。図１に例示する半導体装置１は、２つの半導体モジュール２を備える。

図１には、半導体装置１と、半導体装置１が実装される基板３と、半導体装置１を冷却する冷却器４とを示す。基板３は、回路が実装されている回路基板である。基板３には、例えば、半導体装置１を制御する制御回路が実装されている。図１に示す例では、冷却器４は、２つのねじ５により半導体装置１に固定される。冷却器４の構成は任意であるものとする。半導体装置１を冷却する冷却器４としては、放熱器が使用されても良い。なお、以下の説明では、半導体装置１に対し基板３が配置される方を「上」、半導体装置１に対し冷却器４が配置される方を「下」、とする。この「上」および「下」の表現は便宜上のものであって、半導体装置１が実際に配置される際における上および下を意味するものではない。

図２は、実施の形態１にかかる半導体装置１が有する半導体モジュール２の斜視図である。図３は、実施の形態１にかかる半導体装置１が有する半導体モジュール２の上面図である。図４は、実施の形態１にかかる半導体装置１が有する半導体モジュール２の側面図である。図５は、実施の形態１にかかる半導体装置１が有する半導体モジュール２の下面図である。図６は、実施の形態１にかかる半導体装置１が有する半導体モジュール２の縦断面図である。図７は、実施の形態１にかかる半導体装置１が有する半導体モジュール２の横断面図である。図８は、実施の形態１にかかる半導体装置１が有する半導体モジュール２の内部結線図である。

図６および図７に示すように、半導体モジュール２は、複数の主電極１０と、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１１と、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）１２と、ベース板１３と、絶縁基板１４と、複数のワイヤ１６と、ケース１７と、蓋１８と、封止材１９と、を備える。

ベース板１３は、金属板である。ベース板１３は、ＩＧＢＴ１１およびＦＷＤ１２の各々で発生する熱を冷却器４へ伝える。ベース板１３の材料は、熱伝導性が高い金属材料であって、例えば銅またはアルミニウムなどである。ベース板１３は、第１面である下面と、第１面とは逆側の第２面である上面とを有する。ベース板１３の下面は、半導体モジュール２の外部に露出された面であって、冷却器４が配置される側へ向けられる面である。下面が冷却器４に直接または間接的に接触することで、ベース板１３は、上述の発生する熱を冷却器４に伝えることができる。

絶縁基板１４は、ベース板１３の上面側に配置されている。絶縁基板１４を構成する絶縁材料は、例えば、セラミックまたは樹脂などである。絶縁基板１４の上面には、銅箔からなる回路パターン１５が設けられている。

ＩＧＢＴ１１とＦＷＤ１２との各々は、回路パターン１５に接合された半導体チップである。ＩＧＢＴ１１とＦＷＤ１２との各々は、例えばはんだ付けにより回路パターン１５に接合されている。ＩＧＢＴ１１とＦＷＤ１２とは、互いに並列に接続されている。

半導体モジュール２に備えられる複数のワイヤ１６には、ＩＧＢＴ１１の電極とＦＷＤ１２の電極とを接続するワイヤ１６と、ＩＧＢＴ１１の電極と回路パターン１５とを接続するワイヤ１６と、ＦＷＤ１２の電極と回路パターン１５とを接続するワイヤ１６とが含まれる。

ケース１７は、ベース板１３の上面に設けられている。ケース１７は、半導体モジュール２の外郭を構成する。ケース１７は、ベース板１３の外縁に沿う４つの側面を有する。４つの側面の各々は、ベース板１３の上面の法線方向を含む。以下の説明では、ベース板１３の上面の法線方向を、単に法線方向と称する。図４には、ケース１７が有する４つの側面のうちの１つを示す。

ケース１７は、絶縁基板１４と、絶縁基板１４の上のＩＧＢＴ１１、ＦＷＤ１２、回路パターン１５、および複数のワイヤ１６との周囲を囲う。ケース１７の下端部は、ベース板１３により塞がれている。ケース１７の上端部は、蓋１８により塞がれている。ベース板１３、ケース１７、および蓋１８により構成される空間には、封止材１９が充填されている。ケース１７、蓋１８、および封止材１９は、ベース板１３の上面側に設けられており絶縁基板１４と半導体チップとを封止する封止部を構成する。

ケース１７の４つの側面の各々には、溝２１が形成されている。溝２１は、封止部の外側から封止部の内部へ向かって凹み、かつ、法線方向に垂直な方向に沿って延ばされている。溝２１の深さ方向は、封止部の外側から封止部の内部へ向かう方向である。溝２１が延ばされている方向は、法線方向に垂直、かつ溝２１の深さ方向に垂直な方向である。以下の説明では、溝２１が延ばされている方向を、溝２１の長手方向とも称する。

図６に示す断面は、法線方向を含む断面であって、４つの側面のうち互いに対向する２つの側面の各々に形成されている溝２１の長手方向に垂直な断面である。図６に示す断面における溝２１の形状は、長手方向に垂直な法線方向の長さである溝２１の幅が封止部の外側から封止部の内部へ向かうに従って大きくなる形状であって、台形形状である。

図１に示す互いに隣り合う２つの半導体モジュール２の一方を第１の半導体モジュールとし、他方を第２の半導体モジュールとする。第１の半導体モジュールおよび第２の半導体モジュールは、第１の半導体モジュールの１つの側面と第２の半導体モジュールの１つの側面とを互いに向かい合わせて配置される。図１に示すように、第１の半導体モジュールの当該側面の溝２１と、第２の半導体モジュールの当該側面の溝２１とが組み合わせてられて構成される空隙には、ピン６が差し込まれる。ピン６は、これらの溝２１の長手方向に沿って差し込まれる。第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとは、第１の半導体モジュールの溝２１と第２の半導体モジュールの溝２１とが組み合わせられて構成される空隙に差し込まれたピン６によって互いに連結されている。

ピン６が差し込まれることによって、ピン６の一部が第１の半導体モジュールの溝２１に差し込まれ、かつ、ピン６の他の一部が第２の半導体モジュールの溝２１に差し込まれる。ピン６のうち第１の半導体モジュールの溝２１に差し込まれる部分の断面と、ピン６のうち第２の半導体モジュールの溝２１に差し込まれる部分の断面との各々は、溝２１への嵌め合わせが可能な台形形状である。溝２１にピン６が差し込まれた状態では、溝２１の長手方向に垂直な方向へピン６が引っ張られても、ピン６は溝２１から抜けない。第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとを互いに引き離す方向の力が第１の半導体モジュールおよび第２の半導体モジュールの少なくとも一方にかけられても、ピン６が溝２１から抜けないことによって、第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとは引き離されない。このように、第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとは、ピン６によって互いに連結される。第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとは、ピン６が使用されることによって一体化される。

なお、上記説明では、第１の半導体モジュールの側面の溝２１と、第２の半導体モジュールのうち第１の半導体モジュールの当該側面に向かい合う側面の溝２１とにピン６が差し込まれる例を説明した。この他、第１の半導体モジュールの側面の溝２１と、第２の半導体モジュールのうち第１の半導体モジュールの当該側面と隣り合う側面の溝２１とにピン６が差し込まれても良い。この場合、ピン６は、ピン６が差し込まれる方向において第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとに跨るように配置される。この場合も、第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとは、ピン６が使用されることによって一体化される。第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとの連結に使用されるピン６の数は１つに限られず、複数であっても良い。ピン６は、第１の半導体モジュールの溝２１と第２の半導体モジュールの溝２１とに差し込まれていれば良く、任意の位置への差し込みが可能であるものとする。また、溝２１の形状は台形形状に限られない。溝２１は、第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとを互いに引き離す方向の力が第１の半導体モジュールおよび第２の半導体モジュールの少なくとも一方にかけられた場合に、差し込まれたピン６が溝２１から抜けないように形成されていれば良い。例えば、溝２１は、Ｌ字形状やＳ字形状のような形状でも良く、ピン６は溝２１に挿入できるように溝２１に対応する形状であれば良い。

図５に示すように、ベース板１３の外縁には、半円形の４つの切り欠き２２が形成されている。ベース板１３の平面形状は、正方形に４つの切り欠き２２が形成された形状である。各切り欠き２２は、正方形の各辺の中心に形成されている。

図１に示すねじ５は、切り欠き２２を通されて、冷却器４の穴にねじ込まれる。ねじ５がねじ込まれることによって、ベース板１３は、冷却器４に締結される。ベース板１３が冷却器４に締結されることによって、半導体モジュール２は冷却器４に固定される。

ケース１７の４つの側面の各々には、凹部２３が形成されている。凹部２３は、切り欠き２２の上に形成されている。凹部２３は、封止部の外側から封止部の内部に向かって凹み、かつ、法線方向に沿って形成されている。図７に示す断面は、法線方向に垂直な断面であって、ケース１７の４つの側面の各々に形成されている溝２１を通る断面である。図７に示す断面における凹部２３の形状は、切り欠き２２よりも若干大きい半円形である。封止部の外側から封止部の内部に向かって凹む長さである、凹部２３の深さは、ねじ５が取り付けられる際にねじ５の頭部が通り得る深さとされている。

図１に示す例では、第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとが並べられた方向における一方の端の切り欠き２２と他方の端の切り欠き２２との２か所にねじ５が取り付けられる。ピン６によって互いに一体化された第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとが２つのねじ５によって冷却器４に固定されることによって、半導体装置１に冷却器４が固定される。

なお、ねじ５が取り付けられる位置は、図１に示す例に限られないものとする。また、取り付けられるねじ５の数は２つに限られず、任意であるものとする。ねじ５が取り付け可能な位置のうちの少なくとも１つに、ねじ５が取り付けられていれば良いものとする。なお、冷却器４のうちねじ５が取り付けられる位置に、ねじ５がねじ込まれる穴が形成される。

図１に示す例では、半導体装置１を上から見たときの半導体装置１の平面形状の外縁には、６個の切り欠き２２が存在する。６個の切り欠き２２の各々の位置に、ねじ５を取り付けることができる。さらに、半導体装置１を上から見たときの半導体装置１の中心には、第１の半導体モジュールの切り欠き２２と第２の半導体モジュールの切り欠き２２とが組み合わせられて形成された１つの穴が存在する。当該穴の位置にも、ねじ５を取り付けることができる。ねじ５は、これらの位置のうちの少なくとも１つに取り付けられる。

なお、図１に示すように半導体装置１の中心を通るようにピン６が差し込まれる場合において、半導体装置１の中心に存在する上記穴にねじ５が取り付けられる場合は、ねじ５が取り付けられた後にピン６が差し込まれる。または、第１の半導体モジュールの溝２１と第２の半導体モジュールの溝２１との各々のうち、ねじ５が通される凹部２３を除いた部分にピン６が差し込まれる。これにより、ピン６がねじ５の取り付けの妨げとなる事態が回避される。

上記説明によると、半導体装置１の複数の半導体モジュール２は、ピン６によって一体化されて、ねじ５によって冷却器４に固定される。これにより、半導体装置１に冷却器４が固定される。冷却器４の固定のための部品としてねじ５およびピン６が使用されることで、少ない数の部品によって、半導体装置１に冷却器４を固定することができる。このため、半導体装置１および冷却器４を含む構成の小型化が可能となる。また、半導体装置１および冷却器４を含む構成について組立作業の容易化が可能となる。ベース板１３に４つの切り欠き２２が形成されていることで、ねじ５の位置を適宜選択して冷却器４を固定することができる。

図３には、半導体モジュール２の上面の形状を示している。図５には、半導体モジュール２の下面の形状を示している。半導体モジュール２の上面の外縁形状と半導体モジュール２の下面の外縁形状とは、互いに同じである。半導体モジュール２の上面の外縁形状と半導体モジュール２の下面の外縁形状との各々である平面形状は、法線方向から半導体モジュール２を見たときの半導体モジュール２の平面形状である。

半導体モジュール２の平面形状の中心まわりに半導体モジュール２の平面形状を９０度回転させた場合に、回転後における半導体モジュール２の平面形状が、回転前における半導体モジュール２の平面形状と重なり合う。すなわち、半導体モジュール２の平面形状は、４回対称性を有する形状である。このように、半導体モジュール２の平面形状は、回転対称性を有する形状である。半導体モジュール２の平面形状の中心を通る法線方向の軸を回転軸として半導体モジュール２を９０度回転させる前と後とでは、半導体モジュール２の外郭の姿勢は見かけ上変わらない。

半導体モジュール２の平面形状は、ベース板１３の平面形状と同じであって、正方形に４つの切り欠き２２が形成された形状である。正方形の各辺の中心に各切り欠き２２が形成されていることから、半導体モジュール２の平面形状は、４回対称性を有する。また、半導体モジュール２の平面形状は、正方形と同様に４つの角部を有する。

ここで、４つの角部のうち、半導体モジュール２における左下部の角部を第１の角部とする。半導体モジュール２の平面形状において第１の角部と同じ対角線上の角部を、第２の角部とする。第２の角部は、半導体モジュール２における右上部の角部とする。すなわち、第１の角部と第２の角部とは、４つの角部のうち半導体モジュール２の平面形状の中心を挟んで互いに対向する２つである。また、４つの角部のうち第１の角部および第２の角部以外の２つを、第３の角部および第４の角部とする。第３の角部は、半導体モジュール２における左上部の角部とする。第４の角部は、半導体モジュール２における右下部の角部とする。なお、図３の説明において、左上、左下、右上、および右下とは、半導体モジュール２の平面形状の中心に対する位置を表すものであって、図３での位置を表すものとする。

図８に示すように、半導体モジュール２が有する複数の主電極１０には、２個のゲート電極１０ａと、６個のコレクタ電極１０ｂと、６個のエミッタ電極１０ｃとが含まれる。主電極１０とは、２個のゲート電極１０ａと６個のコレクタ電極１０ｂと６個のエミッタ電極１０ｃとの各々を区別せずに称したものとする。また、６個のコレクタ電極１０ｂの各々を第１の主電極とも称する。６個のエミッタ電極１０ｃの各々を第２の主電極とも称する。

複数の主電極１０の各々の一方の端部は、回路パターン１５にはんだ付けされている。複数の主電極１０の各々は、絶縁基板１４によりベース板１３とは電気的に絶縁されている。複数の主電極１０の各々の他方の端部は、封止部の外部に出されている。複数の主電極１０の各々は、蓋１８を貫いて、封止部の内部から封止部の外部へ引き出されている。複数の主電極１０の各々は、封止部からベース板１３へ向かう方向とは逆の方向、すなわち上向きに、封止部の内部から引き出されている。複数の主電極１０の各々は、封止部のうちベース板１３とは逆側の面から、すなわち、蓋１８の上面から法線方向へ延ばされている。

図３に示すように、第１の角部からは、第１の主電極である３個のコレクタ電極１０ｂが引き出されている。第２の角部からは、第１の主電極である３個のコレクタ電極１０ｂが引き出されている。第３の角部からは、第２の主電極である３個のエミッタ電極１０ｃが引き出されている。第４の角部からは、第２の主電極である３個のエミッタ電極１０ｃが引き出されている。また、第４の角部における３個のエミッタ電極１０ｃと隣り合う位置から、２個のゲート電極１０ａが引き出されている。

図９は、実施の形態１にかかる半導体装置１が基板３に実装された状態を示す斜視図である。図１０は、実施の形態１にかかる半導体装置１が実装される基板３の平面図である。

図１０に示すように、基板３には、複数の穴２５が形成されている。複数の穴２５の各々には、主電極１０が通される。また、基板３には、複数の電極２４が設けられている。複数の電極２４の各々は、主電極１０が通される位置に形成されている。基板３に設けられている複数の電極２４には、２つの半導体モジュール２のうちの１つの半導体モジュール２の主電極１０のみが接続される電極２４ａと、２つの半導体モジュール２の両方の半導体モジュール２の主電極１０が接続される電極２４ｂとが含まれる。電極２４ｂは、２つの半導体モジュール２のうちの一方の半導体モジュール２の主電極１０と他方の半導体モジュール２の主電極１０とを電気的に接続する電極である。電極２４とは、電極２４ａと電極２４ｂとの各々を区別せずに称したものとする。

基板３は、半導体装置１の上に被せられる。穴２５を通された主電極１０は、はんだ付けによって電極２４に接続される。これにより、半導体装置１は、図９に示されるように、基板３に実装される。２つの半導体モジュール２は、基板３に実装されている回路を介して互いに電気的に接続されている。

複数の主電極１０の各々が蓋１８の上面から法線方向へ延ばされていることで、半導体装置１の上に基板３が被せられる際に、各穴２５に主電極１０を通すことができる。はんだ付けによって各主電極１０は基板３へ直接接合されるため、半導体装置１を基板３へ実装するための追加の要素、例えば配線または端子台などは不要である。基板３には電極２４と穴２５とが形成されていれば良く、従来のパワーモジュールが実装される場合とは異なる要素が基板３に追加されなくても無い。したがって、半導体装置１を容易に基板３に実装することができる。

半導体モジュール２に絶縁基板１４が設けられることによって、複数の主電極１０の各々および回路パターン１５は、ベース板１３とは電気的に絶縁されている。複数の主電極１０の各々が蓋１８の上面から上向きに延ばされていることから、複数の主電極１０の各々と冷却器４との間の電気的な絶縁を容易に確保することができる。このため、半導体装置１の絶縁設計を簡素化させることができる。

一方の半導体モジュール２の主電極１０と他方の半導体モジュール２の主電極１０とが互いに隣り合うように半導体モジュール２同士が配置されることで、２つの半導体モジュール２を、多様な配置でかつ短い配線パターンにより電気的に接続させることができる。すなわち、インダクタンスが小さい配線パターンにより、２つの半導体モジュール２を電気的に接続させることができる。短い配線パターンにより２つの半導体モジュール２を電気的に接続可能であることから、ノイズ対策用のスナバ回路、または、保護回路などの実装も容易である。短い配線パターンにより２つの半導体モジュール２を電気的に接続可能であることは、設計の容易さ、および誤動作の少なさといった点でも有利である。半導体装置１は、従来知られているディスクリート半導体が使用される場合よりも、半導体モジュール２の各々を高い自由度で配置可能、絶縁設計の簡素化、配線パターンの簡素性、回路の小型化、インダクタンスの小ささ、といった観点から有利であるものといえる。

次に、半導体モジュール２の組合せパターンについて説明する。ここでは、組合せパターンの２つの例を説明する。図１１は、実施の形態１における半導体モジュール２の組合せパターンの第１の例を示す図である。図１２は、実施の形態１における半導体モジュール２の組合せパターンの第２の例を示す図である。図１１および図１２では、２つの半導体モジュール２からなる半導体装置１の上面を示している。

２つの半導体モジュール２のうち、図１１および図１２の各々において左の半導体モジュール２を第１の半導体モジュールとし、右の半導体モジュール２を第２の半導体モジュールとする。また、図１１および図１２では、基板３の電極２４ｂによって互いに電気的に接続される第１の半導体モジュールの主電極１０と第２の半導体モジュールの主電極１０とを示すために、参考として、電極２４ｂを示している。

図１１に示す第１の例は、第１の半導体モジュールにおけるコレクタ電極１０ｂおよびエミッタ電極１０ｃの位置と、第２の半導体モジュールにおけるコレクタ電極１０ｂおよびエミッタ電極１０ｃの位置とが同じである例である。図１１では、第１の半導体モジュールの左下部および右上部の各々にコレクタ電極１０ｂが配置されており、第１の半導体モジュールの左上部および右下部の各々にエミッタ電極１０ｃが配置されている。第２の半導体モジュールにおけるコレクタ電極１０ｂおよびエミッタ電極１０ｃの配置は、第１の半導体モジュールと同様である。第１の例では、互いに異種の主電極１０であるコレクタ電極１０ｂとエミッタ電極１０ｃとが互いに隣り合うように第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとが配置されている。

図１１に示す第１の例では、電極２４ｂにより、第１の半導体モジュールの右上部のコレクタ電極１０ｂと、第２の半導体モジュールの左上部のエミッタ電極１０ｃとが互いに接続される。第１の例では、第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとは直列に接続される。なお、図１１の説明において、左上、左下、右上、および右下とは、半導体モジュール２の平面形状の中心に対する位置を表すものであって、図１１での位置を表すものとする。

図１２に示す第２の例は、第２の半導体モジュールを図１１に示す状態から時計回りに９０度回転させたものである。図１２における、第１の半導体モジュールにおけるコレクタ電極１０ｂおよびエミッタ電極１０ｃの位置は、図１１に示す第１の半導体モジュールと同様である。図１２では、第２の半導体モジュールの左上部および右下部の各々にコレクタ電極１０ｂが配置されており、第２の半導体モジュールの左下部および右上部の各々にエミッタ電極１０ｃが配置されている。第２の例では、同種の主電極１０同士が隣り合うように第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとが配置されている。すなわち、同種の主電極１０同士であるコレクタ電極１０ｂ同士が隣り合い、かつ同種の主電極１０同士であるエミッタ電極１０ｃ同士が隣り合う。

図１２に示す第２の例では、電極２４ｂにより、第１の半導体モジュールの右下部のエミッタ電極１０ｃと、第２の半導体モジュールの左下部のエミッタ電極１０ｃとが互いに接続される。第２の例では、第１の半導体モジュールと第２の半導体モジュールとは並列に接続される。なお、図１２の説明において、左上、左下、右上、および右下とは、半導体モジュール２の平面形状の中心に対する位置を表すものであって、図１２での位置を表すものとする。なお、半導体モジュール２の組合せパターンは、図１１および図１２にて例示するものに限られない。

半導体モジュール２の平面形状が回転対称性を有する形状であることで、第２の半導体モジュールを回転させる前と回転させた後とでは、見かけ上、第２の半導体モジュールの外郭の姿勢は変わっていない。また、１つの対角線上の２つの角部にコレクタ電極１０ｂが配置され、かつ、他の１つの対角線上の２つの角部にエミッタ電極１０ｃが配置されていることで、図１１と図１２とでは、第２の半導体モジュールにおけるコレクタ電極１０ｂの位置およびエミッタ電極１０ｃの位置が異なる。

半導体装置１は、図１１および図１２において例示するように、各半導体モジュール２の外郭の姿勢を変えずに、かつ、各半導体モジュール２における第１の主電極および第２の主電極の配置態様を変えることができる。このため、互いに連結される半導体モジュール２同士の各々を高い自由度で配置することができる。また、半導体モジュール２同士において電気的に接続される主電極１０を高い自由度で選択することができる。

半導体装置１では、電極２４ｂが適宜配置されることによって、互いに連結される半導体モジュール２同士の電気的な接続の態様を高い自由度で選択することができる。例えば、半導体モジュール２同士の電気的な接続を、直列による接続とすることも並列による接続とすることも任意に選択することができる。半導体装置１には、互いに直列で接続された半導体モジュール２同士と、互いに並列で接続された半導体モジュール２同士とが混在しても良い。

なお、上記説明では、各主電極１０ははんだ付けによって基板３に電気的に接続されることとしたが、各主電極１０の基板３への接続には、はんだ付け以外の方法が使用されても良い。例えば、各主電極１０は、基板３への各主電極１０の圧入によって、基板３に電気的に接続されることとしても良い。

上記説明では、半導体モジュール２の封止部は、ケース１７、蓋１８、および封止材１９を備えるものとした。封止部の構成は、上記説明の構成に限られない。封止部は、例えば、モールド樹脂により構成されたものであっても良い。ベース板１３の上面に設けられている構成は、モールド樹脂により覆われることによって封止される。モールド樹脂は、トランスファー成形により形成されたトランスファーモールドであっても良い。

半導体モジュール２に備えられる半導体チップは、ＩＧＢＴ１１またはＦＷＤ１２以外の半導体チップであっても良い。半導体モジュール２に備えられる半導体チップは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ダイオード、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）デバイス、または窒化ガリウム（ＧａＮ）デバイスなどであっても良い。例えば、半導体モジュール２に備えられる半導体チップがＭＯＳＦＥＴである場合、上記説明における第１の主電極および第２の主電極は、ソース電極およびドレイン電極とすることができる。半導体モジュール２に備えられる半導体チップがダイオードである場合、上記説明における第１の主電極および第２の主電極は、アノード電極およびカソード電極とすることができる。半導体モジュール２は、封止部において封止される構成にゲート駆動回路が追加されたＩＰＭ（Intelligent Power Module）であっても良い。

上記説明では、半導体装置１は２つの半導体モジュール２を備えるものとした。半導体装置１を構成する半導体モジュール２の数は任意であるものとする。また、複数の半導体モジュール２の各々の配置の態様も任意であるものとする。半導体装置１が備えられる電気機器の構成に合わせて、複数の半導体モジュール２の配置の態様が決定されても良い。例えば、複数の半導体モジュール２の配置の態様は、半導体装置１が備えられる電力変換機器の回路方式に合わせて決定されても良い。

次に、半導体装置１の変形例について説明する。図１３は、実施の形態１の第１の変形例にかかる半導体装置１Ａを示す斜視図である。図１４は、実施の形態１の第１の変形例にかかる半導体装置１Ａを示す上面図である。図１３および図１４には、半導体装置１Ａと、冷却器であるヒートシンク４Ａとを示す。ヒートシンク４Ａは、半導体装置１Ａに固定されている。

半導体装置１Ａは、ヒートシンク４Ａの形状に合わせて一列に並べられた６個の半導体モジュール２を備える。図１４では、基板３の表側配線による接続の例を一点鎖線により示し、基板３の裏側配線による接続の例を破線により示す。６個の半導体モジュール２には、互いに隣り合い、かつ基板３により互いに接続される半導体モジュール２同士が含まれている。また、図１４に示すように、６個の半導体モジュール２のうち互いに隣り合わない半導体モジュール２同士が、基板３により互いに接続されても良い。例えば、スリムな形状の電気機器には、半導体装置１Ａのように複数の半導体モジュール２が一列に並べられた構成を適用できる。このように、電気機器に所望される形状に合うように複数の半導体モジュール２が配置された半導体装置１Ａを実現することができる。

図１５は、実施の形態１の第２の変形例にかかる半導体装置１Ｂを示す斜視図である。図１６は、実施の形態１の第２の変形例にかかる半導体装置１Ｂを示す上面図である。図１５および図１６には、半導体装置１Ｂと、冷却器であるヒートシンク４Ｂとを示す。ヒートシンク４Ｂは、半導体装置１Ｂに固定されている。

半導体装置１Ｂは、図１に示す２つの半導体モジュール２と同様の組が３つ備えられている。すなわち、半導体装置１Ｂは、６個の半導体モジュール２を備える。６個の半導体モジュール２は、千鳥配列により並べられている。図１６では、基板３の配線による接続の例を破線により表す。

図１７は、実施の形態１の第３の変形例にかかる半導体装置１Ｃを示す斜視図である。図１７には、半導体装置１Ｃと、冷却器であるヒートシンク４Ｃとを示す。ヒートシンク４Ｃは、半導体装置１Ｃに固定されている。半導体装置１Ｃは、図１に示す２つの半導体モジュール２と同様の組が３つ備えられている。すなわち、半導体装置１Ｃは、６個の半導体モジュール２を備える。６個の半導体モジュール２は、マトリクス状に並べられている。

半導体装置１の複数の半導体モジュール２は、図１５および図１６に示すように千鳥配列により並べられても良く、図１７に示すようにマトリクス状に並べられても良い。半導体装置１の複数の半導体モジュール２には、千鳥配列により並べられた半導体モジュール２とマトリクス状に並べられた半導体モジュール２とが混在していても良い。

図１８は、実施の形態１の第４の変形例にかかる半導体装置１Ｄを示す斜視図である。図１８には、半導体装置１Ｄと、冷却器であるヒートシンク４Ｄとを示す。ヒートシンク４Ｄは、半導体装置１Ｄに固定されている。半導体装置１Ｄは、６個の半導体モジュール２を備える。ヒートシンク４Ｄは、Ｌ字型の平面形状を備える。６個の半導体モジュール２は、ヒートシンク４Ｄの平面形状に合うように、Ｌ字型に並べられている。例えば、設計者が意図する電気機器の形状に合わせて、半導体装置１Ｄのように複数の半導体モジュール２の配列が決定されても良い。このように、電気機器に所望される形状に合うように複数の半導体モジュール２が配列された半導体装置１Ｄを実現することができる。

図１９は、実施の形態１の第５の変形例にかかる半導体装置１Ｅを示す斜視図である。図１９には、半導体装置１Ｅと、冷却器であるヒートシンク４Ｅとを示す。ヒートシンク４Ｅは、半導体装置１Ｅに固定されている。半導体装置１Ｅは、６個の半導体モジュール２を備える。６個の半導体モジュール２は、ヒートシンク４Ｅの平面形状に合うように並べられている。図１９における６個の半導体モジュール２の配列は、図１７に示す配列または図１８に示す配列をさらに変形させたものである。

例えば、設計者が意図する電気機器の形状に合わせて、半導体装置１Ｅのように複数の半導体モジュール２の配列が決定されても良い。このように、電気機器に所望される形状に合うように複数の半導体モジュール２が配列された半導体装置１Ｅを実現することができる。

実施の形態１の各変形例のように、複数の半導体モジュール２の配置によって、設計者の意図に即した構成の半導体装置１Ａ－１Ｅを実現できる。これにより、３相インバータ、単相インバータ、チョッパ、３レベルインバータといった、さまざまな回路方式の電力変換機器に、半導体装置１Ａ－１Ｅを適用することが可能となる。半導体装置１Ａ－１Ｅは、複数の半導体モジュール２が組み合わせられることによって、複数の半導体チップが１つのパッケージに搭載されたパワーモジュールと同等の機能を実現することもできる。

実施の形態１で説明する半導体装置１，１Ａ－１Ｅは、複数の半導体モジュール２の中に故障が生じた場合、故障した半導体モジュール２のみを交換可能である。このため、実施の形態１によると、半導体装置１，１Ａ－１Ｅの修理コストの低減が可能となる。

実施の形態１によると、半導体装置１，１Ａ－１Ｅに備えられる複数の半導体モジュール２の各々は、半導体モジュール２の平面形状が、４つの角部を有しかつ回転対称性を有する形状である。第１の主電極は、４つの角部のうち互いに対向する第１の角部および第２の角部の各々において引き出されている。第２の主電極は、４つの角部のうちの第１の角部および第２の角部以外の２つである第３の角部および第４の角部の各々において引き出されている。かかる構成を備える半導体モジュール２は、半導体モジュール２の回転により、半導体モジュール２の外郭の姿勢を変えずに、かつ、半導体モジュール２における第１の主電極および第２の主電極の配置態様を変えることができる。また、半導体モジュール２同士において電気的に接続される主電極１０を高い自由度で選択することができる。以上により、複数の半導体モジュール２の各々を高い自由度で配置することができるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 半導体装置、２ 半導体モジュール、３ 基板、４ 冷却器、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ ヒートシンク、５ ねじ、６ ピン、１０ 主電極、１０ａ ゲート電極、１０ｂ コレクタ電極、１０ｃ エミッタ電極、１１ ＩＧＢＴ、１２ ＦＷＤ、１３ ベース板、１４ 絶縁基板、１５ 回路パターン、１６ ワイヤ、１７ ケース、１８ 蓋、１９ 封止材、２１ 溝、２２ 切り欠き、２３ 凹部、２４，２４ａ，２４ｂ 電極、２５ 穴。

Claims (5)

1. 複数の半導体モジュールを備え、
   複数の前記半導体モジュールの各々は、
   前記半導体モジュールの外部に露出された第１面と、前記第１面とは逆側の第２面とを有するベース板と、
   前記第２面側に配置されており、回路パターンが設けられている絶縁基板と、
   前記回路パターンに接合された半導体チップと、
   前記第２面側に設けられており前記絶縁基板と前記半導体チップとを封止する封止部と、
   前記封止部から前記ベース板へ向かう方向とは逆の方向に前記封止部の内部から引き出されている第１の主電極および第２の主電極と、を備え、
   前記第２面の法線方向から前記半導体モジュールを見たときの前記半導体モジュールの平面形状は、４つの角部を有し、かつ回転対称性を有する形状であって、
   前記第１の主電極は、４つの前記角部のうちの前記平面形状の中心を挟んで互いに対向する２つである第１の角部および第２の角部の各々において前記封止部の内部から引き出されており、
   前記第２の主電極は、４つの前記角部のうちの前記第１の角部および前記第２の角部以外の２つである第３の角部および第４の角部の各々において前記封止部の内部から引き出されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記封止部は、前記第２面の法線方向を含む４つの側面を有し、
   ４つの前記側面の各々には、前記封止部の内部へ向かって凹み、かつ前記第２面の前記法線方向に垂直な方向に沿って延ばされた溝が形成されており、
   互いに隣り合う２つの前記半導体モジュールである第１の半導体モジュールおよび第２の半導体モジュールは、前記第１の半導体モジュールの前記溝と前記第２の半導体モジュールの前記溝とに差し込まれたピンによって互いに連結されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ベース板の外縁には、前記ベース板を冷却器に固定するねじが通される切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記第１の主電極と前記第２の主電極との各々は、前記絶縁基板により前記ベース板とは電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
5. 前記第１の主電極および前記第２の主電極の各々は、前記封止部のうち前記ベース板側とは逆側の面から前記第２面の前記法線方向へ延ばされていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

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