JP6398398B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来、スイッチ素子等を形成した半導体チップから発生した熱を冷却するために、半導体チップが冷却器（ヒートシンク）に接続される。

しかし、半導体チップを形成する材料と、ヒートシンクを形成する材料とが異なるため、各材料の熱膨張係数の差によって、半導体チップ、ヒートシンク及びそれらの間に設けられる絶縁部材や金属部材に熱膨張又は熱収縮に伴う応力がかかる。この結果、各部材に反りや割れが生じ、各部材の接合部にクラックが生じやすくなり、信頼性の低下を招く問題がある。

そこで、半導体素子を一方の主面に搭載したセラミック基板の他方の主面にベタ金属板及びヒートシンク板を順次接合し、ヒートシンク板のベタ金属板との接合エリアが、ベタ金属板の接合面と同等以下の相似形寸法とし、ヒートシンク板の接合エリア以外の表面に酸化金属層を有する半導体モジュール用基板が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によれば、ヒートシンク板とベタ金属板との接合部がメニスカス形状ではなくなり、加熱による熱応力の発生を緩和できる。

特開２００５−１８３８６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体モジュール用基板では、ヒートシンク板とベタ金属板との接合面積が大きく変わるわけではない。そのため、依然として、ベタ金属板、セラミック基板及びヒートシンク板の熱膨張係数の差に起因して熱応力による反りが生じるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、熱応力による反りを抑制することができ、各部材及び接合部の信頼性を向上させることができる半導体装置を提供することである。

本発明の一態様に係る半導体装置は、絶縁部材と、絶縁部材の表面に配置された半導体素子と、絶縁部材の裏面に配置された冷却器とを備え、冷却器の流通方向に直交する方向において、冷却器の幅が絶縁部材よりも内側に位置することを特徴とする。直交する方向における絶縁部材の端部と、絶縁部材の裏面に配置された第２の金属部材の端部との距離は、流通方向における絶縁部材の端部と第２の金属部材の端部との距離より短い。

本発明によれば、熱応力による反りを抑制することができ、各部材及び接合部の信頼性を向上させることができる半導体装置を提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す流通方向の断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。 図３（ａ）は、比較例に係る半導体装置の構成を示す流通方向に直交する方向の断面図である。図３（ｂ）は、比較例に係る半導体装置の構成を示す流通方向の断面図である。 図４は、比較例に係る半導体装置の構成を示す平面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。 図６は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成の他の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。 図７は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成の更に他の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。 図８は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成の更に他の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。 図９は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成の更に他の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成の更に他の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。 図１１は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成の更に他の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。 図１２は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体装置の構成の更に他の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。 図１３（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す流通方向に直交する方向の断面図である。図１３（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す流通方向の断面図である。 図１４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。 図１５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す平面図である。

図面を参照して、実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

（第１の実施形態）
まず、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の一例を説明する。図１（ａ）は、半導体装置の冷却器６を流体が流れる方向（以下、「流通方向」ともいう。）の断面図であり、図１（ｂ）は、半導体装置の流通方向と直交する方向（以下、「直交方向」ともいう。）の断面図である。図２は、半導体装置の平面図であり、Ａ−Ａ方向の切断面が図１（ａ）に対応し、Ｂ−Ｂ方向の切断面が図１（ｂ）に対応する。図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２において、矢印Ｄ１は流通方向を示し、矢印Ｄ２は直交方向を示す。なお、流通方向Ｄ１はいずれの向きに流体が流れてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置は、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２に示すように、半導体素子（半導体チップ）１、冷却器６（ヒートシンク）６、及び半導体素子１と冷却器６とを絶縁する絶縁基板１１を備える。絶縁基板１１は、絶縁部材５と、絶縁部材５の表面及び裏面に配置された金属部材（第１及び第２の金属部材）４ａ，４ｂを有する。半導体素子１は、接合部材３ａを介して金属部材４ａの表面に金属接合されている。冷却器６は、接合部材３ｂを介して金属部材４ｂの裏面に金属接合されている。なお、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図２では、主端子や信号端子については省略する。

流通方向Ｄ２において、冷却器６の幅ｗ１は、絶縁部材５の幅ｗ２よりも狭く、絶縁部材５の内側に位置する。また、直交方向Ｄ１において、冷却器６の幅ｗ３は、絶縁部材５の幅ｗ４よりも広く、絶縁部材５の外側に位置する。冷却器６の流通方向Ｄ２の幅ｗ１は、冷却器６の直交方向Ｄ１の幅ｗ３よりも狭い。絶縁部材５の直交方向Ｄ２の幅ｗ２は、流通方向Ｄ１の幅ｗ４と同一であってもよく、或いは幅ｗ４よりも大きくてもよく、幅ｗ４よりも小さくてもよい。

半導体素子１としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等からなる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やダイオード、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等を用いたインバータやコンバータ等の電力変換用素子が使用可能である。

絶縁部材５としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）のいずれかのセラミックスが、入手性や熱伝導率、絶縁耐圧から望ましい。絶縁部材５としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のその他のセラミックスも使用可能である。絶縁部材５は、セラミックスの他にも、窒化ボロンや樹脂、シリカを用いた絶縁シートであってもよく、これらを用いた場合には熱膨張係数を金属からなる冷却器６や金属部材４ａ，４ｂに近づけることができる。

金属部材４ａ，４ｂとしては、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）が使用可能である。なお、接合部材３ａ，３ｂの種類に応じて、金属部材４ａ，４ｂの表面上にニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等のメッキ処理を施してもよい。また、金属部材４ａ，４ｂのそれぞれは、複数に分割して絶縁部材５の表面又は裏面に配置されていてもよい。

接合部材３ａ，３ｂの材料としては、半田やろう材等の電気的に導通する材料が使用可能である。接合部材３ａ，３ｂは互いに同一の材料を用いてもよく、異なる材料を用いてもよい。例えば、接合部材３ａを用いて半導体素子１を接合した後に、接合部材３ｂを用いて冷却器６を接合する場合は、接合部材３ａが再溶融する場合があるので、接合部材３ｂとして、接合部材３ａよりも融点が低い異なる材料を用いてもよい。

また、接合部材３ａを使用せずに、固相拡散接合又は液相拡散接合等の拡散接合により半導体素子１と金属部材４ａとを直接接合（金属接合）してもよい。また、接合部材３ｂを使用せずに、固相拡散接合又は液相拡散接合等の拡散接合により金属部材４ｂと冷却器６とを直接接合（金属接合）してもよい。

冷却器６は、接合部材３ｂとの接合面側の上板６ａと、接合部材３ｂとの接合面側とは反対側で上板６ａと対向する下板６ｂと、上板６ａと下板６ｂとを繋ぐ複数のフィン６ｃを有する。複数のフィン６ｃは、板状であり、互いに離間して流通方向Ｄ１に平行に延伸する。上板６ａ、下板６ｂ及びフィン６ｃにより、一様な流通方向Ｄ１を有する複数の流路６ｄが区画されている。流路６ｄの入り口及び出口には図示を省略する供給管及び排出管が接続されている。流路６ｄに流体を流すことにより、半導体素子１で発生した熱を冷却することができる。流路６ｄに流す流体としては、水やロングライフクータント（ＬＬＣ）を含む不凍液、油、空気等が適宜使用可能である。ここで、「一様な流通方向」とは、冷却器６の一側面側から対向する側面側へ向かう方向である。

冷却器６は、アルミニウムを押し出すことにより作製された多穴管が好ましい。冷却器６としての多穴管は、アルミニウムの他にも、銅やその他の材料で作製することもできる。多穴管で形成されていれば、フィン６ｃを製造上、厚くしやすく、断面２次モーメントの点からも反りにくい構造が取ることができる。更に、半導体素子１から伝わってくる熱がフィン６ｃを介して下板６ｂの方へ伝わりやすくなるので下板６ｂの冷却効率が上がる。

冷却器６は、上板６ａ、下板６ｂ及びフィン６ｃを個別に用意してろう材で接合するコルゲートフィン構造でもよい。冷却器６の下板６ｂの厚さＴ２を上板６ａの厚さＴ１よりも厚くしておけば、反りにくい冷却器６にすることができる。フィン６ｃは、一様な流通方向を形成する形状であれば、クシ歯、ピンフィン、四角フィン、微細フィン等の種々の形状であってもよい。

冷却器６がアルミニウムや銅の場合、熱膨張係数はアルミニウム：約２３（ｐｐｍ／Ｋ）、銅：約１６（ｐｐｍ／Ｋ）である。一方、絶縁基板１１の絶縁部材５として使用される材料の熱膨張係数は、窒化アルミニウム：約４．６（ｐｐｍ／Ｋ）、窒化ケイ素：約２（ｐｐｍ／Ｋ）、アルミナ約７．３（ｐｐｍ／Ｋ）であり、いずれも絶縁部材５の材料の方が、冷却器６の材料に比べて熱膨張係数が小さい。このため、冷却器６の方が、絶縁部材５と比べて温度勾配による伸び縮みが大きい。

例えば、融点２００℃の接合部材３ｂによって絶縁基板１１と冷却器６とを接合した後、室温まで戻すように冷却すると、絶縁部材５と冷却器６との熱膨張係数差によって圧縮応力が働き、冷却器６の下板６ｂがより縮むため、冷却器６及び絶縁部材５が凸に反る。この時、冷却器６の金属部材４ｂと接合していない非接合領域が少ないほど、絶縁基板１１と冷却器６との接合外周部や角部周辺付近の絶縁基板１１や接合部材３ｂ、冷却器６にかかる熱応力や反り量を軽減することができる。このため、冷却器６の非接合領域が極力小さくなるように、図１（ａ）に示すように、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ１と、冷却器６と接合される金属部材４ｂの幅とが同じか又は近い方がよい。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置では、図１（ａ）に示すように、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ１を、絶縁部材５の幅ｗ２よりも小さくし、絶縁部材５よりも内側に設けている。このため、半導体素子１と電気的に接続されている金属部材４ａから金属部材４ｂ又は冷却器６までの絶縁距離ｄ１を所定の長さでとる必要があるところ、絶縁距離ｄ１が絶縁部材５の上面、側面及び下面をノリシロとして回り込むようなルートになるので、絶縁距離ｄ１を稼ぐことができる。これにより、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ１が、絶縁部材５よりも外側まで突出している場合と比較して絶縁部材５のノリシロを短くすることができるので、機械応力・熱応力によるセラミックスの割れや、絶縁基板１１と冷却器６との接合外周部や角部周辺付近の絶縁基板１１や接合部材３ｂ、冷却器６にかかる熱応力や反り量を軽減することができる。

一方で、冷却器６の流通方向Ｄ１の幅ｗ３は、絶縁部材５の幅ｗ４よりも広く、絶縁部材５の外側まで突出している。絶縁部材５と冷却器６とは積層方向に垂直な方向で近接しているため、半導体素子１と電気的に接続されている金属部材４ａから冷却器６までの絶縁距離ｄ２は、絶縁部材５の上面及び側面をノリシロとし、更に側面から垂直に下ろした冷却器６の上面までの距離とみなせる。

ここで、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置に対する比較例を図３（ａ）、図３（ｂ）及び図４に示す。図３（ａ）は、比較例の半導体装置の流通方向Ｄ２の断面図であり、図３（ｂ）は、半導体装置の直交方向の断面図である。図４は、半導体装置の平面図であり、Ａ−Ａ方向の切断面が図３（ａ）に対応し、Ｂ−Ｂ方向の切断面が図３（ｂ）に対応する。

比較例に係る半導体装置では、冷却器６の流通方向Ｄ２の幅ｗ５が、絶縁部材５の幅ｗ２よりも広く、絶縁部材５の外側まで突出している点が、本発明の第１の実施形態と相違する。直交方向Ｄ２において、半導体素子１と電気的に接続されている金属部材４ａから冷却器６までの絶縁距離ｄ３は、絶縁部材５の上面及び側面をノリシロとし、絶縁部材５の下面までは回り込まずに、側面から垂直に下ろした冷却器６の上面までの距離となり、絶縁距離ｄ３を稼ぐことができない。

これに対して、本発明の第１の実施形態によれば、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ１が絶縁部材５よりも内側に位置することで、半導体素子１側から冷却器６側までの絶縁距離ｄ１を稼ぐことができるので、絶縁部材５を短くすることができる。このため、絶縁部材５と冷却器６との熱膨張係数の差によって生じる熱ひずみを小さくすることができ、冷却器６や絶縁部材５等の反りを低減することができる。この反りの低減によって、絶縁部材５と冷却器６を接合する半田やろう材等の接合部にかかる熱応力が低減できるので、接合部のクラック等の信頼性の低下を低減することができる。更に、直交方向Ｄ２の冷却器６の幅ｗ１を短くすると、冷却器６の金属部材４ｂとの非接合領域の幅が狭まる又はなくなるので、接合の外周部にかかる応力が低減でき、信頼性を向上させることができる。

また、絶縁部材５の材料として、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナのいずれからなるセラミックスを用いることにより、高い絶縁性を安定的に得られ、接合部材３ｂを用いて冷却器６に金属接合することができる。したがって、シリコン（Ｓｉ）シート等の絶縁部材に比べて熱伝導率が高く、熱抵抗を低減することができる。

また、金属部材４ｂと冷却器６とが、半田若しくはろう材を用いた接合又は拡散接合のいずれかにより金属接合されていることにより、グリース等による接合の間接冷却に比べて接合分の熱抵抗を低減できるので、冷却性能を向上させることができる。

また、冷却器６のフィン６ｃが上板６ａと下板６ｂとに繋がっていることで、流通方向Ｄ１及び直交方向Ｄ２に対して反りにくい構造をとることができる。

また、冷却器６として、アルミニウムの押し出し材を用いることにより、冷却器６の上板６ａが薄く、フィン６ｃが上板６ａと下板６ｂに対して垂直となる構造になるので、上板６ａと金属部材４ｂとの接合にかかる熱応力を低減すると共に、流通方向Ｄ１や直交方向Ｄ２に対して反りにくい構造を低コストで得ることができる。また、冷却器６の幅外側付近まで流路６ｄを設けることができるので、絶縁部材５の裏面側の金属部材４ｂの端付近まで冷却することができるので、冷却性能は損なわず、例えば、図３（ａ）に比べて同じ流量で比べた場合に断面積が減って流速が上がるので、むしろ冷却性能は向上する。さらに、上板６ａと金属部材４ｂを、接合材３ｂを介して直接接合する構成の場合、図３（ａ）のｗ５の幅に比べて狭いので、熱圧縮応力による冷却器６の反り量を低減することが出来るので、特に絶縁部材５や接合材３ｂにかかる応力が低減し、冷却性能と信頼性向上を両立することができる。

また、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ１が絶縁部材５より内側にあり、半導体素子１と導通している部分からの必要な絶縁距離ｄ１を大きくとることができる。このため、同じ絶縁距離をとる場合に、直交方向Ｄ２における絶縁部材５と金属部材４ｂとの沿面距離を、流通方向Ｄ１における絶縁部材５と金属部材４ｂとの沿面距離よりも短くすることができる。したがって、絶縁部材５の直交方向Ｄ２のノリシロを短くできるので、絶縁部材５が割れにくくなる。

なお、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例としては、絶縁部材５の表面及び裏面に金属部材４ａ，４ｂが形成された絶縁基板１１を用意する。この絶縁基板１１を半導体素子１及び冷却器６と接合部材３ａ，３ｂを介して接合することにより製造可能である。

（変形例）
次に、第１の実施形態の種々の変形例を説明する。まず、図５に示すように、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ６が、金属部材４ｂの幅ｗ１よりも広く、絶縁部材５の幅ｗ２よりも狭くてもよい。即ち、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ６が、絶縁部材５の内側で、且つ金属部材４ｂの外側に位置してもよい。冷却器６の上面は、金属部材４ｂと接合されない非接合領域を有する。図５に示した構造でも、金属部材４ａからの絶縁距離ｄ４が、絶縁部材５の上面、側面、下面のノリシロを回り込み、冷却器６の上面に達するまでとなり、絶縁距離ｄ４を稼ぐことができ、絶縁部材５の幅ｗ２を短くすることができる。

また、図６に示すように、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ７が、金属部材４ｂの幅ｗ１よりも狭くてもよい。即ち、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ７が、絶縁部材５の内側で、更には金属部材４ｂの内側に位置してもよい。この場合、絶縁基板１１にかかる熱応力は図１の形状よりも更に低減することができる。但し、接合部材３ｂにかかる熱応力が増加するので、各部材や接続部に必要な強度や信頼性に合わせて適宜設計する必要がある。

また、図７に示すように、冷却器６が櫛歯状のフィン６ｃを有する容器であってもよい。櫛歯状のフィン６ｃは容器の上板６ａに接合し、容器の下板６ｂからは離間して配置されている。容器の厚さＴ３がフィン６ｃの厚さＴ０よりも厚いため、流路６ｄを端までは設けていない。また、上板６ａの厚みＴ１は、各部材や接合部にかかる熱応力の増加や、反り量の増加を抑制するため、薄くすることが好ましい。

また、図８に示すように、半導体素子１の直下に接合部材３ａを介してヒートスプレッダ２が接合されていてもよい。ヒートスプレッダ２は、銅等の金属からなる板状の部材である。なお、ヒートスプレッダ２は、金属部材４ａを介さずに、セラミックや絶縁シートからなる絶縁部材５に直接圧着等により接合してもよい。

ヒートスプレッダ２の剛性により、流通方向Ｄ１よりも反りやすい直交方向Ｄ２の反りを抑制し、接合部材にかかる応力を低減することができる。例えば、絶縁基板１１と冷却器６が凸に反る熱応力がかかっている場合、ヒートスプレッダ２は冷却器６に対して絶縁基板１１を介した反対側に位置しているので凹に反る。このため、全体の反りや熱応力を軽減することができる。ヒートスプレッダ２と冷却器６のそれぞれの熱膨張係数及び厚みを調整することにより、全体の反りのバランスを調整することができる。また、ヒートスプレッダ２によって半導体素子１の熱を直下で拡散できるので、熱抵抗を低減することができる。

また、図９に示すように、半導体素子１が絶縁性の封止部材７で覆われていてもよい。封止部材７で半導体素子１を覆うことにより、一般的に空気に比べて絶縁耐圧を稼ぐことができる。したがって、封止部材７によって絶縁距離を短くすることができるので、絶縁部材５のノリシロを短くすることができる。図９に示した半導体装置を製造する際には、半導体素子１、絶縁基板１１及び冷却器６を互いに接合した後に封止部材７で半導体素子１を覆えばよい。

また、図１０に示しように、半導体素子１に加えて、絶縁部材５の裏側の金属部材４ｂも封止部材７で覆うことにより、更に絶縁距離を短くすることができる。図１０に示した半導体装置を製造する際には封止部材７で覆ってから冷却器６を接合してもよく、冷却器６の接合まで終えてから封止部材７で覆ってもよい。

図９及び図１０で示した封止部材７は、ポッティング材、シリコン樹脂や繊維強化プラスチップ（ＦＲＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）等のプラスチック材料を用いたり、組み合わせたりしてもよい。図１０に示した封止部材７としては、金型を使ったトランスファーモールドを施してもよい。

また、図１１に示すように、冷却器６の周囲を絶縁コーティング８で覆っていてもよい。絶縁コーティング８は有機材の塗料等を用いてもよく、封止部材７と同じものを使ってもよい。絶縁コーティング８で冷却器６を覆うことにより、冷却器６の絶縁性が向上できるのでレイアウトの自由度が向上する。また、絶縁コーティング８で覆われる部分と覆われていない部分を作り、覆われていない部分に絶縁基板１１の接合することで、絶縁部材５の位置決めや接合したくない部分を作ることができる。例えば図１２のように、応力集中しやすい角部接合箇所を絶縁コーティング８で覆い、接合されないようにして熱応力の集中する箇所を避けることができる。

（第２の実施形態）
次に、図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１４を用いて本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の一例を説明する。図１３（ａ）は、半導体装置の流通方向Ｄ２の断面図であり、図１３（ｂ）は、半導体装置の直交方向Ｄ１の断面図である。図１４は、半導体装置の平面図であり、Ａ−Ａ方向の切断面が図１３（ａ）に対応し、Ｂ−Ｂ方向の切断面が図１３（ｂ）に対応する。

本発明の第２の実施形態に係る半導体装置は、図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１４に示すように、絶縁基板１１が冷却器６上に複数（２つ）に分割されて配置され、複数の絶縁基板１１のそれぞれの表面に複数（２つ）の半導体素子１が配置されている点が、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置と異なる。

金属部材４ｂと冷却器６との接合面（接合部材３ｂ）の長手方向は、直交方向Ｄ２である。複数の絶縁基板１１は、流通方向Ｄ１に一列に配置されている。複数（２つ）の半導体素子１は、直交方向Ｄ２に並べて配置されている。

例えば、直交方向Ｄ２に並べられた複数（２つ）の半導体素子１をそれぞれＩＧＢＴ、ダイオードとすることで、スイッチング動作及び還流動作をすることができる。なお、半導体素子１がＭＯＳＦＥＴ等のユニポーラであれば素子が１つでもよい。

半導体素子１が配置された絶縁基板１１を２つ設けると、一方が上アーム回路、他方が下アーム回路として、上下アーム回路の単相を形成することができる。更に、上下アーム回路のセットを３つ用意すれば、３相インバータとして動作させることができる。

絶縁基板１１としては、第１の実施形態と同様の材料が使用可能であり、絶縁シート等でもよい。複数の絶縁基板１１は、片アーム毎に分割してもよく、上下アーム回路毎に分割してもよく、半導体素子１毎に分割して構成してもよい。

本発明の第２の実施形態によれば、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ１が絶縁部材５よりも内側に位置することで、絶縁部材５と冷却器６との熱膨張係数差によって生じる熱ひずみを小さくすることができる。したがって、冷却器６や絶縁部材５等の反りを低減することができる。反りの低減によって絶縁部材５と冷却器６を接合する半田やろう材等の接合部にかかる熱応力が低減できるので、接合部のクラック等の信頼性の低下を低減することができる。更に、直交方向Ｄ２の冷却器６の幅ｗ１において、冷却器６の金属部材４ｂとの非接合領域の幅が狭まるので、接合の外周部にかかる応力が低減できるので、信頼性が向上する。

また、絶縁部材５の材料として、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナのいずれからなるセラミックスを用いることにより、高い絶縁性を安定的に得られ、接合部材３ｂを用いて冷却器６に金属接合することができる。したがって、Ｓｉシート等の絶縁部材に比べて熱伝導率が高く、低熱抵抗の半導体装置を実現可能となる。

また、金属部材４ｂと冷却器６とが、半田若しくはろう材を用いた接合又は拡散接合のいずれかにより金属接合されていることにより、グリース等による接合の間接冷却に比べて接合分の熱抵抗を低減できるので、冷却性能を向上させることができる。

また、冷却器６のフィン６ｃが上板６ａと下板６ｂとに繋がっていることで、流通方向Ｄ１及び直交方向Ｄ２に対して反りにくい構造をとることができる。

また、冷却器６として、アルミニウムの押し出し材を用いることにより、冷却器６の上板６ａが薄く、フィン６ｃが上板６ａと下板６ｂに対して垂直となる構造になるので、上板６ａと金属部材４ｂとの接合にかかる熱応力を低減すると共に、流通方向Ｄ１や直交方向Ｄ２に対して反りにくい構造を低コストでえることができる。また、冷却器６の幅外側付近まで流路６ｄを設けることができるので、絶縁部材５の裏面側の金属部材４ｂの端付近まで冷却することができる。

また、冷却器６の直交方向Ｄ２の幅ｗ１が絶縁部材５より内側にあり、半導体素子１と導通している部分からの必要な絶縁距離ｄ１をとることができる。したがって、直交方向Ｄ２における絶縁部材５と金属部材４ｂとの沿面距離を、流通方向Ｄ１における絶縁部材５と金属部材４ｂとの沿面距離よりも短くすることができる。したがって、絶縁部材５の直交方向Ｄ２のノリシロを短くできるので、絶縁部材５が割れにくくなる。

また、金属部材４ｂと冷却器６との金属接合領域において、その接合部材３ｂの長手方向を直交方向Ｄ２とすることで、流通方向Ｄ１に配置するよりも絶縁距離を稼ぐことができる。したがって、直交方向Ｄ２の絶縁部材５のノリシロを短くすることが可能で、機械応力・熱応力による絶縁部材５の割れを抑制すると共に、冷却器６の非接合部の反りによる接合部への熱応力を低減することができる。絶縁基板１１と冷却器６との接合外周部や角部周辺付近の絶縁基板１１や接合部材３ｂ、冷却器６にかかる熱応力や反り量を軽減することができる。

また、絶縁部材５を複数に分割して配置することにより、金属部材４ｂを介した絶縁部材５と冷却器６との接合を分割することで、熱応力を分散したり、低減したりすることができる。

また、複数の絶縁部材５を、流通方向Ｄ１に一列に配置することで、流通方向Ｄ１よりも反りやすい直交方向Ｄ２の長さを短くして反りにくい構造でき、複数の絶縁部材５を直交方向Ｄ２に並べる場合と比べて反り量と熱応力を軽減することができる。更に、冷却器６の断面積を最小限にすることで圧力損失を上げることができたり、各流路６ｄに流れる流速を均一にしやすくできたりする。

また、半導体素子１を直交方向Ｄ２に並べて配置することで、半導体素子１が直列に並んだ半導体モジュールを形成できるので、半導体モジュール内の構造や配置の自由度が向上したり、樹脂成型しやすくなったり、汎用性を上げることができる。また、半導体モジュールを冷却器６へレイアウトしやすくなる。半導体素子１は、接合部材３ｂの長手と同様に直交方向Ｄ２に並べることで、半導体素子１間の距離を広げて熱緩衝を軽減することができる。更に、同一の絶縁基板１１上に配置された半導体素子１が流通方向Ｄ１の上流側から同じ距離の位置に配置することができるので、半導体素子１間の温度バラつきを抑えることもできる。

なお、図８に示したヒートスプレッダ２を各半導体素子１直下に配置してもよい。ヒートスプレッダ２を配置することにより、ヒートスプレッダ２の剛性によって直交方向Ｄ２の反りを抑制することができる。

また、図１５に示すように、流通方向Ｄ１に２列の絶縁基板１１を配置してもよい。この場合でも、外側の絶縁基板１１の内側に位置するように冷却器６の直交方向Ｄ２の幅を設けることにより、本発明の第２の実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

１ 半導体素子
２ ヒートスプレッダ
３ａ，３ｂ 接合部材
４ａ，４ｂ 金属部材
５ 絶縁部材
６ 冷却器（ヒートシンク）
６ａ 上板
６ｂ 下板
６ｃ フィン
６ｄ 流路
７ 封止部材
８ 絶縁コーティング
１１ 絶縁基板

Claims (12)

1. 絶縁部材と、
   前記絶縁部材の表面に配置された第１の金属部材と、
   前記第１の金属部材の表面に配置された半導体素子と、
   前記絶縁部材の裏面に配置された第２の金属部材と、
   前記第２の金属部材の裏面に配置され、流体の流路を有する冷却器
   とを備え、
   前記流路の流通方向に直交する方向において、前記冷却器の幅が前記絶縁部材よりも内側に位置し、
   前記直交する方向における前記絶縁部材の端部と前記第２の金属部材の端部との距離は、前記流通方向における前記絶縁部材の端部と前記第２の金属部材の端部との距離より短いことを特徴とする半導体装置。
2. 前記絶縁部材は、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、アルミナのいずれからな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２の金属部材と前記冷却器とは、半田若しくはろう材を用いた接合又は拡散接合のいずれかにより金属接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記冷却器は、
   前記第２の金属部材と接合する上板と、
   前記上板と対向して配置された下板と、
   前記上板と前記下板とを繋ぎ、前記流路を区画するフィン
   とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記冷却器は、アルミニウムの押し出し材からなる多穴管であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記直交する方向における前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との沿面距離が、前記流通方向における前記第１の金属部材と前記冷却器との沿面距離よりも短いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第２の金属部材と前記冷却器との接合面の長手方向は、前記直交する方向であることを特徴する請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記絶縁部材が複数に分割されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記複数の絶縁部材は、前記流通方向に一列に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記半導体素子を複数有し、
    前記複数の半導体素子は、前記直交する方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記半導体素子と前記第１の金属部材との間に配置されたヒートスプレッダを更に備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
12. 前記冷却器の上面のうち、前記第２の金属部材と接合していない非接合領域に少なくとも絶縁コーティングが施されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置。

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