WO2021193587A1 - 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

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semiconductor module
main surface
heat
semiconductor
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藤野　純司
道雄 小川
智香 川添
翔平 小川
吉松　直樹
達也 川瀬
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三菱電機株式会社
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    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device, a power conversion device, and a method for manufacturing the semiconductor device.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-352023 proposes a configuration in which a semiconductor module constituting a semiconductor device is sandwiched between a plurality of heat sinks in which cooling water circulates to cool the semiconductor module.
  • a heat sink in which cooling water circulates is arranged so as to sandwich the semiconductor module from two directions.
  • it is required to reduce the size and weight of the semiconductor device while ensuring the stability of operation by maintaining sufficient cooling performance. ..
  • An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device and a power conversion device capable of miniaturization and weight reduction while ensuring operational stability.
  • a semiconductor device includes a semiconductor module, a heat sink, and a heat radiating plate.
  • the semiconductor module has a first main surface and a second main surface. The second main surface is located on the opposite side of the first main surface.
  • the semiconductor module includes a semiconductor element, a first heat conductive plate, and a second heat conductive plate.
  • a semiconductor device has two main surfaces located on opposite sides of each other. The first heat conductive plate is joined to one of the two main surfaces of the semiconductor device. The second heat conductive plate is joined to the other of the two main surfaces of the semiconductor device. The first heat conductive plate is exposed on the first main surface. The second heat conductive plate is exposed on the second main surface.
  • the first main surface of the semiconductor module is connected to the heat sink.
  • the second main surface of the semiconductor module is connected to the heat sink.
  • the heat sink includes a flow path through which the cooling medium is circulated.
  • the heat sink and the heat radiating plate are connected at a position where they do not overlap with the semiconductor module when viewed from a direction perpendicular to the second main surface.
  • the power conversion device includes a main conversion circuit and a control circuit.
  • the main conversion circuit includes the above-mentioned semiconductor device.
  • the main conversion circuit converts the input power and outputs it.
  • the control circuit outputs a control signal for controlling the main conversion circuit to the main conversion circuit.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step of arranging a semiconductor module on a heat sink.
  • the semiconductor module has a first main surface and a second main surface.
  • the second main surface is located on the opposite side of the first main surface.
  • the first main surface of the semiconductor module faces the heat sink.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step of arranging a heat sink so as to face the second main surface of the semiconductor module.
  • the heat radiating plate extends from the semiconductor module to a position where it does not overlap with the semiconductor module when viewed from a direction perpendicular to the second main surface.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step of connecting the heat radiating plate and the heat sink at the above-mentioned positions where they do not overlap with the semiconductor module.
  • the connecting step the first main surface of the semiconductor module is connected to the heat sink, and the second main surface of the semiconductor module is connected to the heat sink.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step of connecting a semiconductor module to a heat sink.
  • the semiconductor module has a first main surface and a second main surface.
  • the second main surface is located on the opposite side of the first main surface.
  • the heat radiating plate extends from the semiconductor module to a position where it does not overlap with the semiconductor module when viewed from a direction perpendicular to the second main surface.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step of connecting a heat radiating plate to which a semiconductor module is connected to a heat sink. In the step of connecting to the heat sink, the first main surface of the semiconductor module is connected to the heat sink, and the heat radiating plate and the heat sink are connected at a position where they do not overlap with the semiconductor module.
  • FIG. It is a development schematic diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a front schematic diagram of the semiconductor device shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram in the line segment III-III of FIG.
  • FIG. 5 is a schematic plan view of a semiconductor module constituting the semiconductor device shown in FIG. 1. It is a side schematic side view of the semiconductor module shown in FIG. It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the semiconductor module shown in FIG. It is a flowchart for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the modification of the semiconductor device shown in FIG. It is a flowchart for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIG. It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIG. It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIG. It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIG. It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIG. It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the 1st modification of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the 2nd modification of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a flowchart for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. It is a partial cross-sectional schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. It is a development schematic diagram of the semiconductor device which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is a front schematic diagram of the semiconductor device shown in FIG. 24. It is a block diagram which shows the structure of the power conversion system which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. 1 is a development schematic diagram of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a front schematic view of the semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view taken along the line segments III-III of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of a semiconductor module constituting the semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 5 is a schematic side view of the semiconductor module shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the structure of the semiconductor module shown in FIG.
  • the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 3 mainly includes a semiconductor module 1, a heat sink 2, a heat radiating plate 4, a control board 3, a first heat radiating sheet 43a, and a second heat radiating sheet 43b.
  • the semiconductor module 1 has a first main surface 1a and a second main surface 1b.
  • the second main surface 1b is located on the opposite side of the first main surface 1a.
  • the semiconductor module 1 has a signal terminal 12 and a main terminal 13 projecting from an end surface extending in a direction intersecting the first main surface 1a and the second main surface 1b. A current larger than that of the signal terminal 12 flows through the main terminal 13.
  • the specific configuration of the semiconductor module 1 will be described later.
  • the heat sink 2 is a motor case.
  • the heat sink 2 can hold the motor inside.
  • a flow path 2c through which the cooling medium 2f flows is formed inside the heat sink 2.
  • the cooling medium 2f is a medium for cooling the motor itself.
  • the flow path 2c is a circulation flow path. Any medium can be used as the cooling medium 2f, and for example, water is used.
  • the flow path 2c is formed in a region that overlaps with the portion where the semiconductor module 1 is arranged in a plan view.
  • the heat sink 2 which is a motor case has a cylindrical outer shape.
  • the heat sink 2 has a circular bottom surface 2k and a curved side surface 2l connected to the outer peripheral portion of the bottom surface 2k.
  • the bottom surface 2k is, for example, a surface along a direction intersecting the rotation axis of the motor held inside the heat sink 2 which is a motor case.
  • the first main surface 1a of the semiconductor module 1 is arranged on the bottom surface 2k of the heat sink 2 via the first heat radiating sheet 43a.
  • a recess 2d is formed on the bottom surface 2k of the heat sink 2.
  • the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2.
  • the first main surface 1a of the semiconductor module 1 is connected to the inner surface of the recess 2d of the heat sink 2 via the first heat radiating sheet 43a.
  • a plurality of recesses 2d are formed on the bottom surface 2k of the heat sink 2 along the circumferential direction.
  • three recesses 2d are formed.
  • the plurality of recesses 2d may be arranged at equal intervals in the circumferential direction, but the intervals of the plurality of recesses 2d in the circumferential direction may be different.
  • the semiconductor module 1 is connected to the inner surface of each recess 2d via the first heat radiating sheet 43a. If the heat dissipation area can be secured, a plurality of semiconductor modules 1 may be arranged in one recess 2d.
  • the main terminal 13 in the semiconductor module 1 is located on the outer peripheral portion on the bottom surface 2k.
  • the signal terminal 12 is located at the center of the bottom surface 2k.
  • the tip portions of the signal terminal 12 and the main terminal 13 are bent toward the side opposite to the bottom surface 2k.
  • the heat radiating plate 4 is arranged on the side opposite to the heat sink 2 when viewed from the semiconductor module 1.
  • a second heat radiating sheet 43b is arranged between the heat radiating plate 4 and the semiconductor module 1.
  • the heat radiating plate 4 is formed with a recess 4d in a portion facing the semiconductor module 1.
  • the first heat radiating sheet 43a and the second heat radiating sheet 43b are flexible sheet members in which a boron nitride filler is dispersed in, for example, a silicone resin.
  • the heat radiating plate 4 is a plate-shaped member, and the outer shape in a plan view is substantially circular.
  • An opening is formed in the central portion of the heat radiating plate 4.
  • the signal terminal 12 of the semiconductor module 1 is arranged inside the opening.
  • a recess in which the main terminal 13 of the semiconductor module 1 is arranged is formed on the outer peripheral portion of the heat radiating plate 4. Further, a recess in which the signal terminal 12 of the semiconductor module 1 is arranged is formed on the outer periphery of the opening formed in the center of the heat radiating plate 4.
  • the second main surface 1b of the semiconductor module 1 is connected to the heat radiating plate 4 via the second heat radiating sheet 43b. Further, as shown in FIG. 3, the heat sink 2 and the heat radiating plate 4 are connected at a position not overlapping with the semiconductor module 1 when viewed from a direction perpendicular to the second main surface 1b.
  • the heat sink 2 and the heat radiating plate 4 are connected in a region between the plurality of semiconductor modules 1.
  • the heat generated in the semiconductor module 1 is transferred to the cooling medium 2f via the bottom surface of the first heat radiating sheet 43a and the recess 2d of the heat sink 2 as shown by the arrow 91 in FIG.
  • the heat generated in the semiconductor module 1 is transferred to the cooling medium 2f via the second heat radiating sheet 43b, the heat radiating plate 4, and the heat sink 2, as shown by the arrow 92 in FIG.
  • An uneven portion 4a is formed in a region of the heat radiating plate 4 that is connected to the heat sink 2.
  • An uneven portion 2a is also formed in a region of the heat sink 2 that is connected to the heat radiating plate 4.
  • the uneven portion 4a and the uneven portion 2a are in a state of being fitted to each other.
  • the uneven portion 4a of the heat radiating plate 4 and the uneven portion 2a of the heat sink 2 are in surface contact with each other.
  • the heat radiating plate 4 is fixed in a state of being pressed against the heat sink 2 by the screws 41. That is, the uneven portion 4a of the heat radiating plate 4 and the uneven portion 2a of the heat sink 2 are caulked.
  • As the uneven portion 2a for example, a plurality of convex portions having a height of 3.0 mm are formed at a pitch of 4.0 mm.
  • the control board 3 is arranged on the opposite side of the heat sink 2 when viewed from the heat sink 4.
  • the control board 3 is arranged so as to close the opening located at the center of the heat sink 4.
  • the signal terminal 12 of the semiconductor module 1 is connected to the control board 3.
  • the planar shape of the heat radiating plate 4 may be any shape other than the circular shape.
  • the planar shape of the heat sink 4 may be a polygonal shape such as a triangle, a quadrangle, or a hexagon.
  • the planar shape of the control substrate 3 may be a shape other than the circular shape as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the semiconductor module 1 includes two first semiconductor elements 21 arranged inside the insert mold case 11, two second semiconductor elements 22, and a lower surface ceramic substrate 14 (see FIG. 15).
  • the upper surface ceramic substrate 15), the signal terminal 12, the main terminal 13, and the wiring 16 are mainly provided.
  • the lower surface ceramic substrate 14 includes a ceramic substrate 14b and conductor layers 14a and 14c arranged on both surfaces of the ceramic substrate 14b.
  • the ceramic substrate 14b may be, for example, a silicon nitride ceramic substrate having a length of 35 mm, a width of 40 mm, and a thickness of 0.32 mm.
  • the conductor layers 14a and 14c may be, for example, a copper film.
  • the thickness of the conductor layers 14a and 14c may be, for example, 0.8 mm.
  • the conductor layers 14a and 14c may be attached to the front surface and the back surface of the ceramic substrate 14b.
  • the conductor layer 14a is exposed on the first main surface 1a of the semiconductor module 1.
  • the upper surface ceramic substrate 15 includes a ceramic substrate 15b and conductor layers 15a and 15c arranged on both surfaces of the ceramic substrate 15b.
  • the conductor layer 15a is exposed on the second main surface 1b of the semiconductor module 1.
  • the ceramic substrate 15b may be, for example, a silicon nitride ceramic substrate having a length of 30 mm, a width of 35 mm, and a thickness of 0.32 mm.
  • the conductor layers 15a and 15c may be, for example, a copper film.
  • the thickness of the conductor layers 15a and 15c may be, for example, 0.8 mm.
  • the conductor layers 15a and 15c may be attached to the front surface and the back surface of the ceramic substrate 14b.
  • a signal terminal 12 is arranged on an end surface connecting the first main surface 1a and the second main surface 1b.
  • the main terminal 13 is arranged on the end surface opposite to the end surface on which the signal terminal 12 is arranged.
  • the signal terminal 12 is, for example, a copper terminal.
  • the thickness of the signal terminal 12 is, for example, 0.4 mm.
  • the main terminal 13 is, for example, a copper terminal.
  • the thickness of the main terminal 13 is, for example, 0.8 mm.
  • the thickness of the main terminal 13 is thicker than that of the signal terminal 12.
  • the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 are fixed on the conductor layer 14c of the lower surface ceramic substrate 14.
  • the first semiconductor element 21 is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • the size of the first semiconductor element 21 made of silicon is, for example, 16 mm in length ⁇ 16 mm in width ⁇ 0.3 mm in thickness.
  • the size of the first semiconductor element 21 may be, for example, 15 mm in length ⁇ 15 mm in width ⁇ 0.3 mm in thickness.
  • the second semiconductor element 22 made of silicon is, for example, a diode.
  • the size of the second semiconductor element 22 is, for example, 16 mm in length ⁇ 10 mm in width ⁇ 0.3 mm in thickness.
  • the size of the second semiconductor element 22 may be, for example, 15 mm in length ⁇ 15 mm in width ⁇ 0.3 mm in thickness.
  • an IC Integrated Circuit
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
  • a surface electrode 21a and a signal electrode 21b are formed on the upper surface of the first semiconductor element 21.
  • the signal electrode 21b is connected to the signal terminal 12 via the wiring 16.
  • the material constituting the wiring 16 includes, for example, aluminum.
  • a surface electrode 22a is formed on the upper surface of the second semiconductor element 22.
  • the surface electrodes 21a and 22a are connected to the conductor layer 15c of the upper surface ceramic substrate 15.
  • the upper surface ceramic substrate 15 is supported by the support portion 11a, so that the position in the height direction is defined.
  • the shape of the support portion 11a can be any shape, but can be any shape such as a columnar shape or a columnar shape having a semicircular cross section.
  • the support portion 11a When the support portion 11a has a shape such that it is a part of a cylinder, it is easy to process in manufacturing a mold for manufacturing the insert mold case 11. Further, since the support portion 11a has a curved surface portion, the flow of the liquid sealing resin 17 is less likely to be obstructed by the support portion 11a.
  • the height of the support portion 11a is 3.6 mm from the first main surface 1a, which is the bottom surface of the semiconductor module 1.
  • the thickness of the semiconductor module 1 (that is, the distance between the first main surface 1a and the second main surface 1b) becomes 5.52 mm.
  • the height of the side wall of the insert mold case 11 can be 4.90 mm.
  • the thickness of the semiconductor module 1 is larger than the height of the side wall of the insert mold case 11. Therefore, the first main surface 1a and the second main surface 1b of the semiconductor module 1 can be reliably brought into contact with the first heat radiating sheet 43a and the second heat radiating sheet 43b, respectively.
  • the conductor layer 14c of the lower surface ceramic substrate 14 is connected to one of the main terminals 13. Two of the conductor layer 15c of the upper surface ceramic substrate 15 and the main terminal 13 are solder-bonded.
  • a sealing resin is arranged inside the insert mold case 11.
  • the sealing resin may be formed of a potting resin in which a filler such as silica is dispersed in an epoxy resin.
  • the resin forming the sealing resin is not limited to the potting resin described later as long as it has an insulating property and is of a type that is poured into the insert mold case 11 and cured at room temperature or by heating or UV irradiation.
  • a liquid gel or the like may be used as the sealing resin.
  • the signal terminal 12 and the main terminal 13 are not bent.
  • the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 have a module configuration of two pairs of 2in1, but as a component constituting the semiconductor module 1, one first semiconductor element 21 as a power semiconductor element is provided.
  • the discrete component of the above, or a module configuration in which the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 are paired 1in1 or 6 pairs 6in1 may be used.
  • six semiconductor modules 1 having a 1in1 module configuration may be arranged, or one semiconductor module 1 having a 6in1 module configuration may be arranged.
  • wire 16 is used as the wire 16 by wire bonding
  • a copper wire, an aluminum-coated copper wire, or a gold wire may be used.
  • the external dimensions of the insert mold case 11 can be, for example, 48 mm in length ⁇ 43 mm in width ⁇ 5.0 mm in height.
  • the material constituting the insert mold case 11 may be, for example, PPS (Poly Phenylene Sulfide) resin.
  • the insert mold case 11 is formed in a frame shape, for example.
  • a resin other than the above-mentioned PPS resin for example, an LCP (Liquid Crystal Polymer) resin may be used.
  • LCP Liquid Crystal Polymer
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 8 and 9 are partial cross-sectional schematic views for explaining the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG.
  • the positioning step (S10) is first performed.
  • the semiconductor module 1 is arranged on the heat sink 2.
  • the semiconductor module 1 is arranged so that the first main surface 1a of the semiconductor module 1 faces the heat sink 2.
  • the semiconductor module 1 is arranged in the recess 2d of the heat sink 2 as shown in FIG.
  • a first heat radiating sheet 43a is arranged between the semiconductor module 1 and the heat sink 2.
  • the first heat radiating sheet 43a may be attached to the surface of the heat sink 2.
  • the semiconductor module 1 may be attached to the surface of the first heat radiating sheet 43a.
  • the first heat dissipation sheet 43a is used here as the bonding material for the heat sink 2 of the semiconductor module 1, other bonding materials may be used.
  • a solder obtained by subjecting the surface of the heat sink 2 to a metallizing (nickel plating or the like) process capable of solder bonding and melting at a lower temperature than the solder 30 inside the semiconductor module 1 may be used as the bonding material.
  • it has better heat conduction than the heat radiating sheet, and it is possible to perform removable bonding by heating and melting.
  • the solder 30 is remelted in a state where the volume of the solder 30 is restricted by the solid sealing resin.
  • the volume expansion of the solder 30 may increase the gap between the solid sealing resin and the member, and the molten solder may invade the gap and destroy the semiconductor module 1 (popcorn cracks may occur). ..
  • it is considered that the occurrence of such a problem can be suppressed by providing a difference in melting point between the solder used as the bonding material and the solder 30 inside the semiconductor module 1 as described above.
  • Sn-7Sb-0.5Cu (melting point 235 ° C.) is used as the internal solder 30, and Sn-3Ag-0.5Cu (melting point 217 ° C.) is used as the external solder as the bonding material.
  • the above-mentioned difference in melting point can be secured.
  • the semiconductor module 1 and the heat sink 2 are heat-bonded at a temperature between the melting point of the internal solder 30 and the melting point of the external solder described above. In this way, the semiconductor module 1 and the heat sink 2 can be joined without melting the internal solder 30.
  • Sn—Bi melting point 160 ° C.
  • the allowable range of the heating temperature in the heat bonding which is the bonding process between the semiconductor module 1 and the heat sink 2
  • the bonding process can be facilitated.
  • low-temperature solder solder having a melting point lower than that of the internal solder 30
  • the heat radiating plate 4 is arranged so as to face the second main surface 1b of the semiconductor module 1. Specifically, the second heat radiating sheet 43b is attached on the second main surface 1b of the semiconductor module 1. The heat radiating plate 4 is arranged so that the second heat radiating sheet 43b and the semiconductor module 1 are located inside the recess 4d.
  • the heat radiating plate 4 extends from the top of the semiconductor module 1 to the outer region of the recess 4d, which is a position that does not overlap with the semiconductor module 1 when viewed from the direction perpendicular to the second main surface 1b.
  • the uneven portion 4a is formed in the outer region of the concave portion 4d.
  • the uneven portion 2a is also formed in the region of the heat sink 2 facing the uneven portion 4a. That is, the uneven portion 2a is formed in a region outside the concave portion 2d.
  • step (S20) fixed fixing (S20) is performed as shown in FIG.
  • the heat radiating plate 4 and the heat sink 2 are connected at the above positions where they do not overlap with the semiconductor module 1.
  • the screw 41 (see FIG. 2) is inserted into the screw hole of the heat sink 4, and the tip of the screw 41 is screwed into the screw hole formed on the surface of the heat sink 2 to fix the heat sink 2.
  • the first main surface 1a of the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2, and the second main surface 1b of the semiconductor module 1 is connected to the heat radiating plate 4.
  • FIG. 10 is a schematic partial cross-sectional view for explaining a modification of the semiconductor device shown in FIG. FIG. 10 corresponds to FIG.
  • the semiconductor module 1 can be stably cooled by the cooling medium 2n flowing through the heat pine 4n of the heat sink 4. That is, a stable cooling capacity can be ensured independently of the state of the motor.
  • control board 3 is arranged on the heat sink 4, and the control board 3 and the signal terminal 12 of the semiconductor module 1 are connected. In this way, the semiconductor devices shown in FIGS. 1 to 3 can be obtained.
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIG. 12 to 15 are schematic cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the semiconductor module shown in FIGS. 4 to 6.
  • the first fixing step (S110) is first carried out.
  • the insert mold case 11 is fixed to the lower surface ceramic substrate 14 by a connecting member (not shown) such as an adhesive.
  • a main terminal 13 and a signal terminal 12 are fixed to the insert mold case 11.
  • the plate-shaped solder 30, the first semiconductor element 21, and the second semiconductor element 22 are arranged on the conductor layer 14c of the lower surface ceramic substrate 14. After that, the plate-shaped solder is melted by heating in a reflow furnace, so that the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 are fixed to the conductor layer 14c by the solder 31 as shown in FIG.
  • the wiring process (S120) is carried out.
  • the signal electrode 21b (see FIG. 6) formed on the upper surface of the first semiconductor element 21 and the signal terminal 12 are connected by the wiring 16.
  • the wiring 16 that electrically connects the signal electrode 21b and the signal terminal 12 shown in FIG. 13 is, for example, an aluminum wire.
  • the second fixing step (S130) is carried out.
  • the plate-shaped solder 30 is arranged on the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22, respectively. Further, the plate-shaped solder 30 is also arranged on the portion of the main terminal 13 located in the insert mold case 11.
  • the upper surface ceramic substrate 15 is arranged on the plate-shaped solder 30.
  • the upper surface ceramic substrate 15 is arranged so that the conductor layer 15c of the upper surface ceramic substrate 15 faces the plate-shaped solder 30. In this state, the plate-shaped solder 30 is melted by heating in a reflow furnace, and the upper surface ceramic substrate 15 is connected to the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22. At this time, as shown in FIG.
  • the sealing step (S140) is carried out.
  • the liquid sealing resin 17 is arranged inside the insert mold case 11 to seal the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22.
  • the direct potting resin may be heated to about 60 ° C. and poured into the insert mold case 11. Then, the liquid sealing resin 17 is cured by vacuum defoaming and then heating to obtain a solid sealing resin.
  • the heating conditions of the resin for example, the heating temperature is set to 100 ° C. and the heating time is set to 1.5 hours as the first heat treatment, the heating temperature is set to 140 ° C. and the heating time is set to 1.5 hours, for example, as the second heat treatment. May be. In this way, the semiconductor module 1 shown in FIGS. 4 and 5 is obtained.
  • FIG. 16 is a schematic partial cross-sectional view for explaining a first modification of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • the semiconductor device shown in FIG. 16 basically has the same configuration as the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 6, but the configuration of the connection portion between the heat radiating plate 4 and the heat sink 2 is shown in FIGS. 1 to 6. It is different from the semiconductor device shown. Specifically, in the semiconductor device shown in FIG. 16, at the connection portion between the heat radiating plate 4 and the heat sink 2, the surface of the heat radiating plate 4 and the surface 2g of the heat sink 2 are flat. Further, in the connection portion, the heat radiating sheet 43 is arranged between the heat radiating plate 4 and the heat sink 2. That is, in the connection portion, the heat radiating plate 4 and the heat sink 2 are thermally connected via the heat radiating sheet 43.
  • the heat transferred through the second heat radiating sheet 43b and the heat radiating plate 4 among the heat generated in the semiconductor module 1 can be transferred to the cooling medium 2f of the heat sink 2 via the connection portion. ..
  • Such a configuration can be adopted when the area of the connection portion described above is sufficiently large.
  • the heat radiating plate 4 is fixed by a fixing member such as a screw 41 so that the heat radiating plate 4 is pressed toward the heat sink 2. Even with such a configuration, the same effect as that of the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 6 can be obtained.
  • heat radiating sheet 43 described above heat radiating grease may be arranged. Further, the heat radiating plate 4 and the heat sink 2 may be joined by soldering.
  • the heat sink 2 is made of a solderable material.
  • a metal layer such as nickel, which has excellent solder wettability, may be formed on the surfaces of the heat sink 2 and the heat radiating plate 4. In this case, the heat transfer characteristics from the heat radiating plate 4 to the heat sink 2 can be improved.
  • FIG. 17 is a schematic partial cross-sectional view for explaining a second modification of the semiconductor device according to the first embodiment.
  • the semiconductor device shown in FIG. 17 basically has the same configuration as the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 6, but the configuration of the connection portion between the semiconductor module 1 and the heat sink 2 is shown in FIGS. 1 to 6. It is different from the semiconductor device shown.
  • the heat sink 2 is formed with an opening 2i that reaches the flow path 2c from the surface of the bottom of the recess 2d.
  • the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2 so that the first main surface 1a of the semiconductor module 1 closes the opening 2i.
  • An annular groove 2h is formed on the surface of the bottom of the recess 2d so as to surround the opening 2i.
  • An O-ring 23 is arranged inside the annular groove 2h. The O-ring 23 is in contact with the inner surface of the annular groove 2h and the first main surface 1a of the semiconductor module 1.
  • a fin portion 14d is formed in a region of the first main surface 1a of the semiconductor module 1 that overlaps with the opening 2i. Specifically, the fin portion 14d is formed on the conductor layer 14a (see FIG. 3) of the lower surface ceramic substrate 14 of the semiconductor module 1. As a result, the first main surface 1a of the semiconductor module 1 comes into direct contact with the cooling medium 2f of the heat sink 2.
  • the same effect as that of the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 6 can be obtained, and the heat generated in the semiconductor module 1 can be directly transferred from the first main surface 1a to the cooling medium 2f. .. Further, since the fin portion 14d is formed, the contact area between the semiconductor module 1 and the cooling medium 2f can be made larger than that in the case where the fin portion 14d is not formed. As a result, the heat transfer efficiency from the semiconductor module 1 to the cooling medium 2f can be improved.
  • a substrate made of a plate-shaped conductor may be used instead of the upper surface ceramic substrate 15 and the lower surface ceramic substrate 14.
  • copper or a copper alloy can be used as the material of the substrate.
  • a member joined to the signal terminal 12 and the main terminal 13 by the insert mold case 11 may be used as the first heat radiating sheet 43a in the semiconductor module 1. In this case, the number of parts of the semiconductor module 1 can be reduced.
  • solder was used to connect the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 to the lower surface ceramic substrate 14 and the upper surface ceramic substrate 15, other members may be used.
  • a conductive adhesive in which a silver filler is dispersed in an epoxy resin, a silver sintered material in which nanoparticles are fired at a low temperature, a copper sintered material, or the like may be used.
  • a metal other than copper may be used as the material constituting the conductor layers 14a and 14c of the lower surface ceramic substrate 14 and the conductor layers 15a and 15c of the upper surface ceramic substrate 15.
  • aluminum or nickel may be used as the material.
  • the outermost surfaces of the conductor layers 14a, 14c, 15a, and 15c may be composed of metals such as copper, nickel, gold, and silver. preferable.
  • the materials constituting the surface electrodes 21a and 22a and the signal electrode 21b of the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 may be copper, gold, silver, platinum or the like that can be bonded with solder or a silver sintered material. good.
  • a semiconductor device includes a semiconductor module 1, a heat sink 2, and a heat radiating plate 4.
  • the semiconductor module 1 has a first main surface 1a and a second main surface 1b.
  • the second main surface 1b is located on the opposite side of the first main surface 1a.
  • the semiconductor module 1 includes a first semiconductor element 21 and a second semiconductor element 22 as semiconductor elements, a lower surface ceramic substrate 14 as a first heat conductive plate, and an upper surface ceramic substrate 15 as a second heat conductive plate.
  • the semiconductor element (first semiconductor element 21 and second semiconductor element 22) has two main surfaces located on opposite sides of each other.
  • the first heat conductive plate (lower surface ceramic substrate 14) is joined to one of the two main surfaces of the semiconductor element.
  • the second heat conductive plate (upper surface ceramic substrate 15) is joined to the other of the two main surfaces of the semiconductor element.
  • the first heat conductive plate (lower surface ceramic substrate 14) is exposed on the first main surface 1a.
  • the second heat conductive plate (upper surface ceramic substrate 15) is exposed on the second main surface 1b.
  • the first main surface 1a of the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2.
  • the second main surface 1b of the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 4.
  • the heat sink 2 includes a flow path 2c through which the cooling medium 2f is circulated.
  • the heat sink 2 and the heat radiating plate 4 are connected at a position where they do not overlap with the semiconductor module 1 when viewed from a direction perpendicular to the second main surface 1b.
  • the heat of the semiconductor module 1 can be transferred to the heat sink 2 from the second main surface 1b side of the semiconductor module 1 via the heat radiating plate 4. Therefore, the semiconductor module 1 can be mounted from both sides of the semiconductor module 1 without adopting a configuration in which the flow paths of the cooling medium are arranged on both sides of the first main surface 1a and the second main surface 1b as in the conventional case. Can be cooled effectively. Therefore, while sufficiently cooling the semiconductor module 1 to ensure the stability of operation of the semiconductor device, it is possible to reduce the size and weight of the semiconductor device as compared with the case where the flow paths of the cooling medium are arranged on both sides. can.
  • the first heat conductive plate and the second heat conductive plate are ceramic substrates.
  • the ceramic substrate may be an insulating substrate containing ceramics, and may have a configuration in which conductor layers 14a, 14c, 15a, and 15c are arranged on the front surface and the back surface of the ceramic substrates 14b, 15b as a base substrate, respectively.
  • the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 electrically insulated from the heat sink 2 and the heat radiating plate 4
  • the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 heat the heat sink 2 and the heat radiating plate 4. Can be conveyed.
  • the heat sink 2 and the heat radiating plate 4 are in surface contact with each other. In this case, the heat transfer efficiency from the heat radiating plate 4 to the heat sink 2 can be improved.
  • the heat sink 2 and the heat radiating plate 4 are caulked. In this case, the heat transfer efficiency from the heat radiating plate 4 to the heat sink 2 can be improved.
  • the heat sink 4 may include a heat pipe 4n.
  • the semiconductor module 1 can be cooled by the heat radiating plate 4 independently of the state of the heat sink 2.
  • the semiconductor device includes a control board 3 arranged on a heat sink 4.
  • the control board 3 and the semiconductor module are arranged in a different position from the heat radiating board 4.
  • the connection structure with 1 can be simplified. As a result, the semiconductor device can be miniaturized.
  • the semiconductor device includes a first heat radiating sheet 43a and a second heat radiating sheet 43b.
  • the first heat radiating sheet 43a is arranged between the first main surface 1a of the semiconductor module 1 and the heat sink 2.
  • the second heat radiating sheet 43b is arranged between the second main surface 1b of the semiconductor module 1 and the heat radiating plate 4.
  • heat conduction from the semiconductor module 1 to the heat sink 2 or the heat radiating plate 4 can be performed more reliably.
  • the heat sink 2 is formed with an opening 2i that reaches the flow path 2c from the surface.
  • the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2 so that the first main surface 1a of the semiconductor module 1 closes the opening 2i.
  • the fin portion 14d may be formed in the region of the first main surface 1a of the semiconductor module 1 that overlaps with the opening 2i.
  • the heat generated from the semiconductor module 1 can be directly transferred to the cooling medium 2f flowing in the flow path 2c.
  • the heat sink 2 is a motor case that holds the motor inside. In this case, by applying the configuration of the semiconductor device according to the present embodiment to the motor, it is possible to reduce the size and weight of the motor.
  • the heat sink 2 includes a bottom surface 2k that intersects the rotation axis of the motor.
  • the semiconductor module 1 and the heat sink 4 are arranged on the bottom surface 2k.
  • the semiconductor module 1 includes a signal terminal 12 and a main terminal 13. A current larger than that of the signal terminal 12 flows through the main terminal 13.
  • the main terminal 13 is located on the outer peripheral portion of the bottom surface 2k.
  • the signal terminal 12 is located at the center of the bottom surface 2k.
  • the main terminal 13 since the main terminal 13 is arranged on the outer peripheral side, it has a structure that makes it easy to connect a relatively thick wire to the main terminal 13 in order to allow a large current to flow.
  • the signal terminal 12 can be arranged so as to overlap the control board 3 at the central portion of the bottom surface 2k.
  • the size of the control board 3 can be set smaller than the area of the bottom surface 2k so as to cover only the central portion of the bottom surface 2k. If the size of the control board 3 can be reduced in this way, the size of the board of the control board 3 (for example, an epoxy board) can be reduced, so that the manufacturing cost of the control board 3 can be reduced.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step (S10) of arranging the semiconductor module 1 on the heat sink 2.
  • the semiconductor module 1 has a first main surface 1a and a second main surface 1b.
  • the second main surface 1b is located on the opposite side of the first main surface 1a.
  • the first main surface 1a of the semiconductor module 1 faces the heat sink 2.
  • the method for manufacturing the semiconductor device includes a step (S10) of arranging the heat radiating plate 4 so as to face the second main surface 1b of the semiconductor module 1.
  • the heat radiating plate 4 extends from above the semiconductor module 1 to a position where it does not overlap with the semiconductor module 1 when viewed from a direction perpendicular to the second main surface 1b.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step (S20) of connecting the heat radiating plate 4 and the heat sink 2 at the above positions where they do not overlap with the semiconductor module 1.
  • the connecting step (S20) the first main surface 1a of the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2, and the second main surface 1b of the semiconductor module 1 is connected to the heat radiating plate 4.
  • FIG. 18 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment.
  • the semiconductor device shown in FIG. 18 basically has the same configuration as the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 6, but has a configuration of the semiconductor module 1 and a configuration of a connection portion between the semiconductor module 1 and the heat sink 4. Is different from the semiconductor devices shown in FIGS. 1 to 6.
  • the lower surface ceramic substrate 14 is connected to the heat sink 4 by the solder 31.
  • the upper surface ceramic substrate 15 of the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2 by the first heat radiating sheet 43a.
  • the insert mold case 11 of the semiconductor module 1 is fixed to the heat sink 4.
  • the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 are connected to the upper surface ceramic substrate 15 and the lower surface ceramic substrate 14 by the solder 31.
  • the inside of the insert mold case 11 is sealed with the sealing resin 7.
  • FIG. 19 is a flowchart for explaining the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 20 to 23 are partial cross-sectional schematic views for explaining the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG.
  • the first fixing step (S210) is carried out.
  • the plate-shaped solder 30 is arranged in the recess 4d of the heat radiating plate 4.
  • the lower surface ceramic substrate 14 is arranged on the plate-shaped solder 30.
  • the lower surface ceramic substrate 14 is arranged so that the conductor layer 14a of the lower surface ceramic substrate 14 faces the plate-shaped solder 3.
  • the plate-shaped solder 30 is arranged on the conductor layer 14c of the lower surface ceramic substrate 14.
  • the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 are arranged on the plate-shaped solder 30. Then, the plate-shaped solder 30 is melted by heating in a reflow oven.
  • the lower surface ceramic substrate 14 is fixed to the inner wall of the recess 4d of the heat sink 4 by the solder 31. Further, the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 are fixed to the conductor layer 14c of the lower surface ceramic substrate 14 by the solder 31.
  • the surface of the conductor layer 14a of the lower surface ceramic substrate 14 constitutes the second main surface 1b of the semiconductor module 1.
  • the insert mold case 11 is arranged on the surface of the heat radiating plate 4 so as to surround the lower surface ceramic substrate 14.
  • the plate-shaped solder 30 is arranged on the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22, respectively.
  • the upper surface ceramic substrate 15 is arranged on the plate-shaped solder 30.
  • the upper surface ceramic substrate 15 is arranged so that the conductor layer 15c faces the plate-shaped solder 30.
  • the plate-shaped solder 30 is melted by heating with a lift roller.
  • the upper surface ceramic substrate 15 can be fixed to the first semiconductor element 21 and the second semiconductor element 22 by the solder 31.
  • the position of the upper surface ceramic substrate 15 in the height direction is defined by a part of the upper surface ceramic substrate 15 coming into contact with the support portion 11a.
  • the wiring process (S230) is carried out.
  • the signal electrode 21b of the first semiconductor element 21 and the signal terminal 12 (not shown) are connected by wiring as in the step shown in FIG.
  • the sealing step (S240) is carried out.
  • the liquid sealing resin is arranged in the insert mold case 11 in the same manner as in the sealing step (S140) shown in FIG.
  • the sealing resin 7 is formed by heating and curing the liquid sealing resin. In this way, it is possible to obtain a structure in which the semiconductor module 1 is fixed to the heat radiating plate 4.
  • the positioning step (S250) is carried out.
  • the heat sink 4 is arranged on the heat sink 2 so that the surface of the heat sink 4 to which the semiconductor module 1 is fixed faces the heat sink 2.
  • the first main surface 1a of the semiconductor module 1 faces the heat sink 2.
  • a first heat radiating sheet 43a is arranged between the first main surface 1a and the heat sink 2.
  • the third fixing step (S260) is carried out.
  • the heat radiating plate 4 is fixed to the heat sink 2 by a fixing member such as a screw 41.
  • the uneven portion 4a of the heat radiating plate 4 and the uneven portion 2a of the heat sink 2 are in surface contact with each other so as to mesh with each other.
  • the heat radiating plate 4 and the heat sink 2 are caulked and connected. In this way, the semiconductor device shown in FIG. 18 can be obtained.
  • the semiconductor device includes a first heat radiating sheet 43a and a solder 31.
  • the first heat radiating sheet 43a is arranged between the first main surface 1a of the semiconductor module 1 and the heat sink 2.
  • the solder 31 is arranged between the second main surface 1b of the semiconductor module 1 and the heat sink 4.
  • the same effect as that of the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 6 can be obtained. Further, since the semiconductor module 1 is fixed to the heat sink 4 by the solder 31, the heat of the semiconductor module 1 can be transferred to the heat sink 4 through the solder 31.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step (S210, S220, S230, S240) of connecting the semiconductor module 1 to the heat sink 4.
  • the semiconductor module 1 has a first main surface 1a and a second main surface 1b.
  • the second main surface 1b is located on the opposite side of the first main surface 1a.
  • the connecting step (S210, S220, S230, S240)
  • the second main surface 1b is connected to the heat sink 4 by the solder 31.
  • the heat radiating plate 4 extends from above the semiconductor module 1 to a position where it does not overlap with the semiconductor module 1 when viewed from a direction perpendicular to the second main surface 1b.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step (S260) of connecting the heat radiating plate 4 to which the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2.
  • step of connecting to the heat sink 2 (S260) the first main surface 1a of the semiconductor module 1 is connected to the heat sink 2, and the heat radiating plate 4 and the heat sink 2 are connected at a position where they do not overlap with the semiconductor module 1. In this way, the semiconductor device shown in FIG. 18 can be obtained.
  • FIG. 24 is a development schematic diagram of the semiconductor device according to the third embodiment.
  • FIG. 25 is a front schematic view of the semiconductor device shown in FIG. 24.
  • FIG. 25 shows a specific configuration example of the semiconductor device shown in FIG. 24.
  • the semiconductor device shown in FIGS. 24 and 25 basically has the same configuration as the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 6, but includes a semiconductor module 1 for a heat sink 2, a heat dissipation plate 4, and a control board 3.
  • the relative position is different from the semiconductor device shown in FIGS. 1 to 6.
  • the semiconductor module 1, the heat radiating plate 4, and the control substrate 3 are arranged on the side surface 2l of the cylindrical heat sink 2.
  • the heat sink 2 which is a motor case has a cylindrical outer shape.
  • the heat sink 2 has a circular bottom surface 2k and a side surface 2l connected to the outer peripheral portion of the bottom surface.
  • the side surface 2l has a curved first portion 2m and a flat second portion 2j.
  • the first main surface 1a (see FIG. 3) of the semiconductor module 1 is arranged on the second portion 2j on the side surface 2l of the heat sink 2.
  • the heat radiating plate 4 is arranged so as to cover the semiconductor module 1.
  • the heat radiating plate 4 is also connected to the flat second portion 2j on the side surface 2l of the heat sink 2.
  • the heat radiating plate 4 may be connected to the curved first portion 2m on the side surface 2l of the heat sink 2.
  • a flow path 2c (see FIG. 3) is formed inside the second portion 2j of the heat sink 2.
  • the control board 3 is arranged on the heat sink 4.
  • the heat sink 4 may be formed with a through hole for connecting the main terminal 13 and the signal terminal 12 of the semiconductor module 1 to the outside of the heat sink 4.
  • the heat sink 2 which is a motor case has a cylindrical outer shape.
  • the heat sink 2 has a circular bottom surface 2k and a side surface 2l connected to the outer peripheral portion of the bottom surface.
  • the side surface 2l has a curved first portion 2m and a flat second portion 2j.
  • the first main surface 1a of the semiconductor module 1 is arranged on the second portion 2j on the side surface 2l of the heat sink 2.
  • the semiconductor module 1 and the heat radiating plate 4 can be arranged on the side surface 2l of the cylindrical heat sink 2, it is difficult to arrange the semiconductor module 1 and the heat radiating plate 4 on the bottom surface 2k of the heat sink 2. Even in this case, the configuration of the semiconductor device according to the present disclosure can be applied.
  • Embodiment 4 the semiconductor device according to any one of the above-described first to third embodiments is applied to a power conversion device.
  • the present disclosure is not limited to a specific power conversion device, the case where the present disclosure is applied to a three-phase inverter will be described below as a fourth embodiment.
  • FIG. 26 is a block diagram showing a configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the present embodiment is applied.
  • the power conversion system shown in FIG. 26 includes a power supply 100, a power conversion device 200, and a load 300.
  • the power supply 100 is a DC power supply, and supplies DC power to the power converter 200.
  • the power supply 100 can be composed of various things, for example, a DC system, a solar cell, a storage battery, a rectifier circuit connected to an AC system, or an AC / DC converter. May be good. Further, the power supply 100 may be configured by a DC / DC converter that converts the DC power output from the DC system into a predetermined power.
  • the power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between the power supply 100 and the load 300, converts the DC power supplied from the power supply 100 into AC power, and supplies the AC power to the load 300. As shown in FIG. 26, the power conversion device 200 has a main conversion circuit 201 that converts DC power into AC power and outputs it, and a control circuit 203 that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit 201 to the main conversion circuit 201. And have.
  • the load 300 is a three-phase electric motor driven by AC power supplied from the power converter 200.
  • the load 300 is not limited to a specific application, and is an electric motor mounted on various electric devices.
  • the load 300 is used as an electric motor for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railroad vehicle, an elevator, or an air conditioner.
  • the main conversion circuit 201 includes a switching element and a freewheeling diode (not shown), and when the switching element switches, the DC power supplied from the power supply 100 is converted into AC power and supplied to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 is a two-level three-phase full bridge circuit, and has six switching elements and each switching element. It can consist of six anti-parallel freewheeling diodes.
  • each switching element and each freewheeling diode of the main conversion circuit 201 is a switching element or freewheeling diode included in the semiconductor device 202 corresponding to the semiconductor device according to any one of the above-described first to third embodiments. ..
  • the six switching elements are connected in series for each of the two switching elements to form an upper and lower arm, and each upper and lower arm constitutes each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit. Then, the output terminals of the upper and lower arms, that is, the three output terminals of the main conversion circuit 201 are connected to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 includes a drive circuit (not shown) for driving each switching element
  • the drive circuit may be built in the semiconductor device 202, or a drive circuit may be provided separately from the semiconductor device 202. It may be provided.
  • the drive circuit generates a drive signal for driving the switching element of the main conversion circuit 201 and supplies the drive signal to the control electrode of the switching element of the main conversion circuit 201.
  • a drive signal for turning on the switching element and a drive signal for turning off the switching element are output to the control electrodes of each switching element.
  • the drive signal When the switching element is kept on, the drive signal is a voltage signal (on signal) equal to or higher than the threshold voltage of the switching element, and when the switching element is kept off, the drive signal is a voltage equal to or lower than the threshold voltage of the switching element. It becomes a signal (off signal).
  • the control circuit 203 controls the switching element of the main conversion circuit 201 so that the desired power is supplied to the load 300. Specifically, the time (on time) for each switching element of the main conversion circuit 201 to be in the on state is calculated based on the power to be supplied to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the on-time of the switching element according to the voltage to be output. Then, a control command (control signal) is output to the drive circuit included in the main conversion circuit 201 so that an on signal is output to the switching element that should be turned on at each time point and an off signal is output to the switching element that should be turned off. Is output.
  • the drive circuit outputs an on signal or an off signal as a drive signal to the control electrode of each switching element according to this control signal.
  • the semiconductor device according to any one of the first to third embodiments is applied as the semiconductor device 202 constituting the main conversion circuit 201, the operation of the power conversion device is stable. It is possible to realize miniaturization and weight reduction of the device while ensuring the performance.
  • the present disclosure is not limited to this, and can be applied to various power conversion devices.
  • a two-level power conversion device is used, but a three-level or multi-level power conversion device may be used, and when power is supplied to a single-phase load, the present disclosure is provided to a single-phase inverter. You may apply it.
  • the present disclosure can be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.
  • the power conversion device to which the present disclosure is applied is not limited to the case where the above-mentioned load is an electric motor. It can also be used as a power conditioner for a photovoltaic power generation system, a power storage system, or the like.
  • 1 Semiconductor module 1a 1st main surface, 1b 2nd main surface, 2 heat sink, 2a, 4a uneven part, 2c flow path, 2d, 4d recess, 2f, 2n cooling medium, 2g surface, 2h annular groove, 2i opening , 2j 2nd part, 2k bottom surface, 2l side surface, 2m 1st part, 3 control board, 4 heat sink, 4n heat pipe, 7 sealing resin, 11 insert mold case, 11a support part, 12 signal terminal, 13 main terminal , 14 Bottom ceramic substrate, 14a, 14c, 15a, 15c Conductor layer, 14b, 15b Ceramic substrate, 14d fin part, 15 Top ceramic substrate, 16 Wiring, 17 Liquid sealing resin, 21 First semiconductor element, 21a, 22a Surface Electrodes, 21b signal electrodes, 22 second semiconductor elements, 23 O-rings, 31 solders, 41 screws, 43 heat sinks, 43a first heat sinks, 43b second heat sinks, 91, 92 arrows, 100 power supplies, 200 power converters.

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Abstract

動作の安定性を確保しつつ小型化・軽量化を図ることが可能な半導体装置および電力変換装置が得られる。半導体装置は、半導体モジュール（１）と、ヒートシンク（２）と、放熱板（４）とを備える。半導体モジュール（１）は第１主面（１ａ）と第２主面（１ｂ）とを有する。第２主面（１ｂ）は、第１主面（１ａ）とは反対側に位置する。半導体モジュール（１）において、第１熱伝導板は、第１主面（１ａ）に露出する。第２熱伝導板は、第２主面（１ｂ）に露出する。ヒートシンク（２）には、半導体モジュール（１）の第１主面（１ａ）が接続される。放熱板（４）には、半導体モジュール（１）の第２主面（１ｂ）が接続される。ヒートシンク（２）は、冷却媒体（２ｆ）を流通させる流路（２ｃ）を含む。ヒートシンク（２）と放熱板（４）とは、第２主面（１ｂ）に垂直な方向から見て半導体モジュール（１）と重ならない位置で接続されている。

Description

半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法
　本開示は、半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法に関する。
　従来、産業機器、家電製品など様々な製品に適用されるパワーモジュールと呼ばれる半導体装置が知られている。たとえば、特開２００１－３５２０２３号公報には、半導体装置を構成する半導体モジュールを、冷却水が循環する複数のヒートシンクで挟み込み、当該半導体モジュールを冷却する構成が提案されている。
特開２００１－３５２０２３号公報
　上述した半導体装置では、半導体モジュールを２方向から挟むように、冷却水が循環するヒートシンクを配置している。一方、半導体装置が適用される装置の小型化、軽量化を図るため、当該半導体装置についても十分な冷却性能を維持することで動作の安定性を確保しつつ、小型化・軽量化が求められる。しかし、上述した半導体装置では上記のような要請に十分応えることが難しかった。
　本開示は、動作の安定性を確保しつつ小型化・軽量化を図ることが可能な半導体装置および電力変換装置を提供することを目的とする。
　本開示に従った半導体装置は、半導体モジュールと、ヒートシンクと、放熱板とを備える。半導体モジュールは第１主面と第２主面とを有する。第２主面は、第１主面とは反対側に位置する。半導体モジュールは、半導体素子と、第１熱伝導板と、第２熱伝導板とを含む。半導体素子は、互いに反対側に位置する２つの主面を有する。第１熱伝導板は半導体素子の２つの主面のうちの一方と接合される。第２熱伝導板は半導体素子の２つの主面のうちの他方と接合される。第１熱伝導板は、第１主面に露出する。第２熱伝導板は、第２主面に露出する。ヒートシンクには、半導体モジュールの第１主面が接続される。放熱板には、半導体モジュールの第２主面が接続される。ヒートシンクは、冷却媒体を流通させる流路を含む。ヒートシンクと放熱板とは、第２主面に垂直な方向から見て半導体モジュールと重ならない位置で接続されている。
　本開示に従った電力変換装置は、主変換回路と、制御回路とを備える。主変換回路は、上記半導体装置を有する。主変換回路は、入力される電力を変換して出力する。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する。
　本開示に従った半導体装置の製造方法は、ヒートシンク上に半導体モジュールを配置する工程を備える。半導体モジュールは、第１主面と、第２主面とを有する。第２主面は、第１主面とは反対側に位置する。半導体モジュールの第１主面はヒートシンクに面する。さらに、上記半導体装置の製造方法は、半導体モジュールの第２主面に面するように放熱板を配置する工程を備える。放熱板は、第２主面に垂直な方向から見て半導体モジュール上から半導体モジュールと重ならない位置にまで延びている。さらに、半導体装置の製造方法は、放熱板とヒートシンクとを、半導体モジュールと重ならない上記位置において接続する工程を備える。接続する工程では、半導体モジュールの第１主面がヒートシンクと接続されるとともに、半導体モジュールの第２主面が放熱板と接続される。
　本開示に従った半導体装置の製造方法は、放熱板に半導体モジュールを接続する工程を備える。半導体モジュールは、第１主面と、第２主面とを有する。第２主面は、第１主面とは反対側に位置する。接続する工程において、第２主面が放熱板とはんだにより接続される。放熱板は、第２主面に垂直な方向から見て半導体モジュール上から半導体モジュールと重ならない位置にまで延びている。さらに、半導体装置の製造方法は、半導体モジュールが接続された放熱板を、ヒートシンクに接続する工程を備える。ヒートシンクに接続する工程では、半導体モジュールの第１主面がヒートシンクと接続されるとともに、半導体モジュールと重ならない位置において放熱板とヒートシンクとが接続される。
　上記によれば、動作の安定性を確保しつつ小型化・軽量化を図ることが可能な半導体装置および電力変換装置が得られる。
実施の形態１に係る半導体装置の展開模式図である。 図１に示した半導体装置の正面模式図である。 図２の線分ＩＩＩ－ＩＩＩにおける部分断面模式図である。 図１に示した半導体装置を構成する半導体モジュールの平面模式図である。 図４に示した半導体モジュールの側面模式図である。 図４に示した半導体モジュールの構造を説明するための模式図である。 図１に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示した半導体装置の製造方法を説明するための部分断面模式図である。 図１に示した半導体装置の製造方法を説明するための部分断面模式図である。 図１に示した半導体装置の変形例を説明するための部分断面模式図である。 図４に示した半導体モジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。 図４に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための断面模式図である。 図４に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための断面模式図である。 図４に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための断面模式図である。 図４に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための断面模式図である。 実施の形態１に係る半導体装置の第１変形例を説明するための部分断面模式図である。 実施の形態１に係る半導体装置の第２変形例を説明するための部分断面模式図である。 実施の形態２に係る半導体装置の部分断面模式図である。 図１８に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１８に示した半導体装置の製造方法を説明するための部分断面模式図である。 図１８に示した半導体装置の製造方法を説明するための部分断面模式図である。 図１８に示した半導体装置の製造方法を説明するための部分断面模式図である。 図１８に示した半導体装置の製造方法を説明するための部分断面模式図である。 実施の形態３に係る半導体装置の展開模式図である。 図２４に示した半導体装置の正面模式図である。 実施の形態４に係る電力変換システムの構成を示すブロック図である。
　以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
　実施の形態１．
　＜半導体装置の構成＞
　図１は、実施の形態１に係る半導体装置の展開模式図である。図２は、図１に示した半導体装置の正面模式図である。図３は、図２の線分ＩＩＩ－ＩＩＩにおける部分断面模式図である。図４は、図１に示した半導体装置を構成する半導体モジュールの平面模式図である。図５は、図４に示した半導体モジュールの側面模式図である。図６は、図４に示した半導体モジュールの構造を説明するための模式図である。
　図１～図３に示す半導体装置は、半導体モジュール１と、ヒートシンク２と、放熱板４と、制御基板３と、第１放熱シート４３ａと、第２放熱シート４３ｂとを主に備える。半導体モジュール１は第１主面１ａと第２主面１ｂとを有する。第２主面１ｂは、第１主面１ａとは反対側に位置する。半導体モジュール１は第１主面１ａおよび第２主面１ｂと交差する方向に延びる端面から突出する信号端子１２および主端子１３を有する。主端子１３には、信号端子１２より大きな電流が流れる。なお、半導体モジュール１の具体的な構成は後述する。
　ヒートシンク２はモータケースである。ヒートシンク２はモータを内部に保持することが可能である。ヒートシンク２の内部には図３に示すように冷却媒体２ｆを流通させる流路２ｃが形成されている。冷却媒体２ｆはモータ自体を冷却するための媒体である。流路２ｃは循環流路となっている。冷却媒体２ｆとしては任意の媒体を用いることができるが、たとえば水が用いられる。流路２ｃは図３に示すように半導体モジュール１が配置される部分と平面視で重なる領域に形成されている。
　具体的には、モータケースであるヒートシンク２は円筒形状の外形を有する。ヒートシンク２は、円形状の底面２ｋと、底面２ｋの外周部に連なる曲面状の側面２ｌとを有する。底面２ｋは、たとえばモータケースであるヒートシンク２の内部に保持されるモータの回転軸と交差する方向に沿った面である。半導体モジュール１の第１主面１ａはヒートシンク２の底面２ｋ上に第１放熱シート４３ａを介して配置されている。ヒートシンク２の底面２ｋには図３に示すように凹部２ｄが形成されている。凹部２ｄの内部において、ヒートシンク２に半導体モジュール１が接続されている。具体的には、半導体モジュール１の第１主面１ａがヒートシンク２の凹部２ｄの内面に第１放熱シート４３ａを介して接続されている。
　ヒートシンク２の底面２ｋには、周方向に沿って複数の凹部２ｄが形成されている。図１では３つの凹部２ｄが形成されている。複数の凹部２ｄは周方向において等間隔に配置されていてもよいが、周方向における複数の凹部２ｄの間隔が異なっていてもよい。それぞれの凹部２ｄの内面に第１放熱シート４３ａを介して半導体モジュール１が接続されている。なお、放熱面積が確保できれば、１つの凹部２ｄに複数の半導体モジュール１を配置してもよい。
　半導体モジュール１における主端子１３は底面２ｋにおける外周部に位置する。信号端子１２は底面２ｋにおける中央部に位置する。信号端子１２および主端子１３の先端部は、底面２ｋと反対側に向けて曲げられている。
　半導体モジュール１から見てヒートシンク２と反対側に放熱板４が配置されている。放熱板４と半導体モジュール１との間には第２放熱シート４３ｂが配置されている。図３に示すように、放熱板４には半導体モジュール１と対向する部分に凹部４ｄが形成されている。第１放熱シート４３ａおよび第２放熱シート４３ｂは、たとえばシリコーン樹脂に窒化ホウ素フィラーを分散させた柔軟なシート部材である。放熱板４は板状部材であり、平面視の外形はほぼ円形状である。放熱板４の中央部には開口部が形成されている。半導体モジュール１の信号端子１２は当該開口部の内部に配置される。また、放熱板４の外周部には、半導体モジュール１の主端子１３が配置される凹部が形成されている。また、放熱板４の中央に形成された開口部の外周には、半導体モジュール１の信号端子１２が配置される凹部が形成されている。図３に示すように、放熱板４には第２放熱シート４３ｂを介して半導体モジュール１の第２主面１ｂが接続される。また、図３に示すようにヒートシンク２と放熱板４とは、第２主面１ｂに垂直な方向から見て半導体モジュール１と重ならない位置で接続されている。具体的には、ヒートシンク２と放熱板４とは、複数の半導体モジュール１の間の領域において接続されている。このようにすれば、半導体モジュール１で発生した熱は、図３の矢印９１に示すように第１放熱シート４３ａおよびヒートシンク２の凹部２ｄにおける底面を介して冷却媒体２ｆに伝わる。さらに、半導体モジュール１で発生した熱は、図３の矢印９２で示すように、第２放熱シート４３ｂ、放熱板４およびヒートシンク２を介して冷却媒体２ｆに伝わる。
　放熱板４においてヒートシンク２と接続される領域には凹凸部４ａが形成されている。ヒートシンク２において放熱板４と接続される領域にも凹凸部２ａが形成されている。凹凸部４ａと凹凸部２ａとは互いに嵌まりあった状態となっている。放熱板４の凹凸部４ａとヒートシンク２の凹凸部２ａとは面接触している。放熱板４はネジ４１によってヒートシンク２に押圧された状態で固定されている。つまり、放熱板４の凹凸部４ａとヒートシンク２の凹凸部２ａとはカシメ接合されている。凹凸部２ａはたとえば高さ３．０ｍｍの凸部が、ピッチ４．０ｍｍで複数形成されている。
　放熱板４から見て、ヒートシンク２と反対側に制御基板３が配置されている。制御基板３は放熱板４の中央に位置する開口部を塞ぐように配置されている。制御基板３には半導体モジュール１の信号端子１２が接続されている。
　なお、放熱板４の平面形状は円形状以外の任意の形状であってもよい。たとえば、放熱板４の平面形状は三角形、四角形、六角形などの多角形状であってもよい。また、制御基板３の平面形状は図１および図２に示すような円形状以外の形状であってもよい。
　図４～図６に示すように、半導体モジュール１は、インサートモールドケース１１の内部に配置された２つの第１半導体素子２１と２つの第２半導体素子２２と下面セラミックス基板１４（図１５参照）と上面セラミックス基板１５）と信号端子１２と主端子１３と配線１６とを主に備える。下面セラミックス基板１４はセラミックス基板１４ｂと、当該セラミックス基板１４ｂの両面に配置された導体層１４ａ、１４ｃとを含む。セラミックス基板１４ｂは、たとえば縦３５ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素セラミック基材であってもよい。導体層１４ａ、１４ｃは、たとえば銅膜であってもよい。導体層１４ａ、１４ｃの厚さはたとえば０．８ｍｍとしてもよい。導体層１４ａ，１４ｃはセラミックス基板１４ｂの表面および裏面に貼り付けられていてもよい。
　半導体モジュール１の第１主面１ａには導体層１４ａが露出している。上面セラミックス基板１５はセラミックス基板１５ｂと、当該セラミックス基板１５ｂの両面に配置された導体層１５ａ、１５ｃとを含む。半導体モジュール１の第２主面１ｂには導体層１５ａが露出している。セラミックス基板１５ｂは、たとえば縦３０ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素セラミック基材であってもよい。導体層１５ａ、１５ｃは、たとえば銅膜であってもよい。導体層１５ａ、１５ｃの厚さはたとえば０．８ｍｍとしてもよい。導体層１５ａ，１５ｃはセラミックス基板１４ｂの表面および裏面に貼り付けられていてもよい。
　第１主面１ａと第２主面１ｂとを繋ぐ端面には信号端子１２が配置されている。信号端子１２が配置された端面と反対側の端面には主端子１３が配置されている。信号端子１２はたとえば銅製の端子である。信号端子１２の厚さはたとえば０．４ｍｍである。主端子１３はたとえば銅製の端子である。主端子１３の厚さはたとえば０．８ｍｍである。主端子１３の厚さは信号端子１２の厚さより厚い。
　下面セラミックス基板１４の導体層１４ｃ上に第１半導体素子２１と第２半導体素子２２とが固定されている。第１半導体素子２１はたとえばＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）である。たとえばシリコン製の第１半導体素子２１のサイズはたとえば縦１６ｍｍ×横１６ｍｍ×厚さ０．３ｍｍである。第１半導体素子２１のサイズはたとえば縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍであってもよい。たとえばシリコン製の第２半導体素子２２はたとえばダイオードである。第２半導体素子２２のサイズはたとえば縦１６ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍである。第２半導体素子２２のサイズはたとえば縦１５ｍｍ×横１５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍであってもよい。なお、第２半導体素子２２として、ＩＣ（Integrated　Circuit）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor　Field　Effect　Transistor）を用いてもよい。
　第１半導体素子２１の上面には表面電極２１ａと信号電極２１ｂとが形成されている。信号電極２１ｂは信号端子１２と配線１６を介して接続されている。配線１６を構成する材料はたとえばアルミニウムを含む。第２半導体素子２２の上面には表面電極２２ａが形成されている。表面電極２１ａ、２２ａは上面セラミックス基板１５の導体層１５ｃと接続されている。上面セラミックス基板１５は支持部１１ａにより支持されることにより、高さ方向の位置が規定されている。支持部１１ａの形状は任意の形状とできるが、たとえば円柱状、断面形状が半円状の柱状など任意の形状とすることができる。支持部１１ａが円柱の一部分となっているような形状を有する場合、インサートモールドケース１１を製造するための金型の作製における加工が容易である。さらに、支持部１１ａが曲面の表面部分を有することで、液状封止樹脂１７の流れが支持部１１ａにより阻害されにくくなる。
　支持部１１ａの高さは半導体モジュール１の底面である第１主面１ａから３．６ｍｍである。この結果、半導体モジュール１の厚さ（つまり第１主面１ａと第２主面１ｂとの間の距離）は５．５２ｍｍとなる。インサートモールドケース１１の側壁の高さを４．９０ｍｍとすることができる。この場合、インサートモールドケース１１の側壁の高さより半導体モジュール１の厚さが大きくなる。このため、半導体モジュール１の第１主面１ａおよび第２主面１ｂを、それぞれ第１放熱シート４３ａおよび第２放熱シート４３ｂと確実に接触させることができる。
　下面セラミックス基板１４の導体層１４ｃは、主端子１３のうちの１つと接続されている。上面セラミックス基板１５の導体層１５ｃと主端子１３のうちの２つははんだ接合されている。
　インサートモールドケース１１の内部には封止樹脂が配置されている。封止樹脂は、エポキシ樹脂にシリカなどのフィラーを分散させたポッティング樹脂により形成されてもよい。封止樹脂を形成する樹脂は、絶縁性が確保され、インサートモールドケース１１内に流し込んで常温または加熱やＵＶ照射などによって硬化させる種類のものであれば、後述するようなポッティング樹脂に限らない。例えば、封止樹脂として液状ゲル等を用いてもよい。なお、図４～図６に示した半導体モジュール１では信号端子１２と主端子１３とが折り曲げられていない状態を示している。
　ここで、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２が２対の２ｉｎ１でのモジュール構成としているが、当該半導体モジュール１を構成する部品として、パワー半導体素子としての第１半導体素子２１が１個のディスクリート部品や、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２が１対の１ｉｎ１、あるいは６対の６ｉｎ１といったモジュール構成としてもよい。たとえば、図１に示す様な構成において、１ｉｎ１のモジュール構成を有する半導体モジュール１を６個配置してもよいし、６ｉｎ１のモジュール構成を有する半導体モジュール１を１つ配置してもよい。
　また、ワイヤボンディングによる配線１６としてアルミ製のワイヤを用いたが、銅製ワイヤまたはアルミ被覆銅ワイヤ、あるいは金ワイヤを用いてもよい。
　インサートモールドケース１１の外形寸法は、たとえば、縦４８ｍｍ×横４３ｍｍ×高さ５．０ｍｍとすることができる。インサートモールドケース１１を構成する材料は、たとえばＰＰＳ（Poly　Phenylene　Sulfide）樹脂でもよい。インサートモールドケース１１はたとえば枠状に形成されている。インサートモールドケース１１の材料として、上述したＰＰＳ樹脂以外の樹脂、たとえばＬＣＰ（Liquid　Crystal　Polymer、液晶ポリマー）樹脂を用いてもよい。また、ここではインサートモールドケース１１とポッティング樹脂とを用いたが、リードフレームとトランスファーモールド樹脂とを用いた半導体装置の製造方法を利用しても、同様の効果を得ることができる。
　＜半導体装置の製造方法＞
　図７は、図１に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。図８および図９は、図１に示した半導体装置の製造方法を説明するための部分断面模式図である。
　図７に示した半導体装置の製造方法では、まず位置決め工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、まず、ヒートシンク２上に半導体モジュール１を配置する。具体的には、半導体モジュール１の第１主面１ａがヒートシンク２に面するように、半導体モジュール１が配置される。半導体モジュール１は、図８に示すようにヒートシンク２の凹部２ｄ内に配置される。また、半導体モジュール１とヒートシンク２との間には第１放熱シート４３ａが配置される。第１放熱シート４３ａはヒートシンク２の表面に貼り付けられてもよい。第１放熱シート４３ａの表面に半導体モジュール１を貼り付けてもよい。
　また、ここでは半導体モジュール１のヒートシンク２に対する接合材料として第１放熱シート４３ａを用いたが、他の接合材料を用いてもよい。たとえば、ヒートシンク２の表面にはんだ接合可能なメタライズ（ニッケルめっきなど）処理を施し、半導体モジュール１内部のはんだ３０（図１４参照）よりも低温で溶融するはんだを上記接合材料として用いてもよい。この場合、放熱シートよりも熱伝導に優れ、加熱溶融させることで取り外し可能な接合を行うことが可能となる。
　なお、半導体モジュール１において、液状封止樹脂１７（図１５参照）が硬化した状態、つまりはんだ３０の体積が固体の封止樹脂により制約された状態で当該はんだ３０が再溶融する場合を考える。この場合、はんだ３０の体積膨張によって固体の封止樹脂と部材との隙間が拡大し、当該隙間に溶融したはんだが侵入して半導体モジュール１が破壊する（ポップコーンクラックが発生する）可能性がある。しかし、上記のように接合材料として用いるはんだと半導体モジュール１の内部のはんだ３０との融点に差を設けることで、このような問題の発生を抑制できると考えられる。
　具体的には、内部のはんだ３０として、Ｓｎ－７Ｓｂ－０．５Ｃｕ（融点２３５℃）を用い、接合材料としての外部のはんだをＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ（融点２１７℃）とすることで、上述した融点の差を確保することができる。そして、上述した内部のはんだ３０の融点と外部のはんだの融点との間の温度で半導体モジュール１とヒートシンク２とを加熱接合する。このようにすれば、内部のはんだ３０を溶融させずに半導体モジュール１とヒートシンク２とを接合することができる。また、外部のはんだとして、Ｓｎ－Ｂｉ（融点１６０℃）を用いることで、内部のはんだ３０と外部のはんだとの融点の差を大きくしてもよい。この場合、半導体モジュール１とヒートシンク２との接合プロセスである加熱接合における加熱温度の許容範囲を広くできるので、当該接合プロセスを容易化できる。半導体モジュール１と放熱板４との接合に関しても、同様に低温はんだ（内部のはんだ３０より融点の低いはんだ）を用いることで、内部のはんだ３０を溶融させずにはんだ接合することが可能となる。
　また、この工程（Ｓ１０）では、半導体モジュール１の第２主面１ｂに面するように放熱板４を配置する。具体的には、半導体モジュール１の第２主面１ｂ上に第２放熱シート４３ｂを貼り付ける。第２放熱シート４３ｂおよび半導体モジュール１が凹部４ｄの内部に位置するように、放熱板４を配置する。
　上述のように、放熱板４は、第２主面１ｂに垂直な方向から見て半導体モジュール１上から半導体モジュール１と重ならない位置である凹部４ｄの外側の領域にまで延びている。放熱板４では、上記凹部４ｄの外側の領域に凹凸部４ａが形成されている。また、当該凹凸部４ａと対向するヒートシンク２の領域にも、凹凸部２ａが形成されている。つまり、凹凸部２ａは凹部２ｄより外側の領域に形成されている。
　次に、図７に示すように固定固定（Ｓ２０）を実施する。この工程（Ｓ２０）では、放熱板４とヒートシンク２とを、半導体モジュール１と重ならない上記位置において接続する。具体的には、ネジ４１（図２参照）を放熱板４のネジ穴に挿入するとともに、ヒートシンク２の表面に形成されているネジ穴にネジ４１の先端部をねじ込んで固定する。このようにして、図９に示すように半導体モジュール１の第１主面１ａがヒートシンク２と接続されるとともに、半導体モジュール１の第２主面１ｂが放熱板４と接続される。
　なお、図１０に示すように、放熱板４の内部に冷却媒体２ｎを封入したヒートパイプ４ｎを形成した構造（ヒートパインプ構造）を採用してもよい。図１０は、図１に示した半導体装置の変形例を説明するための部分断面模式図である。図１０は図９に対応する。この場合、モータの冷却媒体２ｆの温度が上昇した場合でも、放熱板４のヒートパインプ４ｎに流通する冷却媒体２ｎにより半導体モジュール１を安定して冷却できる。つまり、モータの状態とは独立して安定した冷却能力を確保することができる。
　その後、制御基板３を放熱板４上に配置し、制御基板３と半導体モジュール１の信号端子１２とを接続する。このようにして図１～図３に示した半導体装置を得ることができる。
　＜半導体モジュールの製造方法＞
　図１１は、図４に示した半導体モジュールの製造方法を説明するためのフローチャートである。図１２～図１５は、図４～図６に示した半導体モジュールの製造方法を説明するための断面模式図である。
　図１１に示すように、半導体モジュール１の製造方法においては、まず第１固定工程（Ｓ１１０）が実施される。この工程（Ｓ１１０）では、図１２に示すように下面セラミックス基板１４にインサートモールドケース１１が接着剤などの接続部材（図示せず）によって固定される。インサートモールドケース１１には主端子１３および信号端子１２が固定されている。また、この工程（Ｓ１１０）では、下面セラミックス基板１４の導体層１４ｃ上に板状はんだ３０および第１半導体素子２１および第２半導体素子２２が配置される。その後、リフロー炉での加熱により板状はんだが溶融することで、図１３に示すように導体層１４ｃに第１半導体素子２１および第２半導体素子２２がはんだ３１により固定される。
　次に、配線工程（Ｓ１２０）が実施される。この工程（Ｓ１２０）では、第１半導体素子２１の上面に形成されている信号電極２１ｂ（図６参照）と信号端子１２とを配線１６により接続する。図１３に示す、信号電極２１ｂと信号端子１２とを電気的に接続する配線１６はたとえばアルミニウムワイヤである。
　次に、第２固定工程（Ｓ１３０）を実施する。この工程（Ｓ１３０）では、図１４に示すように、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２上に板状はんだ３０をそれぞれ配置する。また、主端子１３においてインサートモールドケース１１内に位置する部分上にも板状はんだ３０を配置する。板状はんだ３０上に上面セラミックス基板１５を配置する。上面セラミックス基板１５における導体層１５ｃが板状はんだ３０に面するように、上面セラミックス基板１５が配置される。この状態で、リフロー炉での加熱によって板状はんだ３０が溶融し、上面セラミックス基板１５と第１半導体素子２１および第２半導体素子２２とが接続される。このとき、図１５に示すように、上面セラミックス基板１５において板状はんだ３０に面する側の一部がインサートモールドケース１１の支持部１１ａの上端に接触することで、上面セラミックス基板１５の高さ位置が決定される。図１５に示すように、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２の表面電極２１ａ、２２ａ（図６参照）は、はんだ３１によって上面セラミックス基板１５の導体層１５ｃと接続される。また、主端子１３がはんだ３１によって導体層１５ｃと接続される。
　次に、封止工程（Ｓ１４０）が実施される。この工程（Ｓ１４０）では、インサートモールドケース１１の内部に液状封止樹脂１７を配置し、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２を封止する。液状封止樹脂１７は、たとえばダイレクトポッティング樹脂を６０℃程度に加熱してインサートモールドケース１１内に流し込んでもよい。その後、真空脱泡してから加熱して当該液状封止樹脂１７を硬化させることにより、固体の封止樹脂が得られる。樹脂の加熱条件としては、たとえば第１加熱処理として加熱温度をたとえば１００℃、加熱時間をたとえば１．５時間とし、第２加熱処理として加熱温度をたとえば１４０℃、加熱時間をたとえば１．５時間としてもよい。このようにして図４および図５に示した半導体モジュール１が得られる。
　＜半導体装置の変形例＞
　図１６は、実施の形態１に係る半導体装置の第１変形例を説明するための部分断面模式図である。図１６に示した半導体装置は、基本的には図１～図６に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、放熱板４とヒートシンク２との接続部の構成が図１～図６に示した半導体装置と異なっている。具体的には、図１６に示した半導体装置では、放熱板４とヒートシンク２との接続部において、放熱板４の表面およびヒートシンク２の表面２ｇが平面となっている。また、当該接続部では、放熱板４とヒートシンク２との間に放熱シート４３が配置されている。つまり、当該接続部では、放熱板４とヒートシンク２とが放熱シート４３を介して熱的に接続されている。
　このような構成によっても、半導体モジュール１で発生した熱のうち第２放熱シート４３ｂおよび放熱板４を介して伝わった熱を、上記接続部を介してヒートシンク２の冷却媒体２ｆへ伝えることができる。このような構成は、上述した接続部の面積が十分に大きい場合に採用できる。また、放熱板４がヒートシンク２に向けて押圧された状態となるように、ネジ４１などの固定部材によって放熱板４が固定されていることが好ましい。このような構成によっても、図１～図６に示した半導体装置と同様の効果を得ることができる。また、上述した放熱シート４３に代えて、放熱グリスを配置してもよい。また、放熱板４とヒートシンク２とをはんだで接合してもよい。この場合、ヒートシンク２がはんだ付け可能な材料により構成されていることが好ましい。あるいは、ヒートシンク２および放熱板４の表面に、はんだの濡れ性に優れたニッケルなどの金属層を形成してもよい。この場合、放熱板４からヒートシンク２への伝熱特性を向上させることができる。
　図１７は、実施の形態１に係る半導体装置の第２変形例を説明するための部分断面模式図である。図１７に示した半導体装置は、基本的には図１～図６に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、半導体モジュール１とヒートシンク２との接続部の構成が図１～図６に示した半導体装置と異なっている。具体的には、図１７に示した半導体装置では、ヒートシンク２に、凹部２ｄの底部の表面から流路２ｃに到達する開口部２ｉが形成されている。半導体モジュール１の第１主面１ａが開口部２ｉを塞ぐように、半導体モジュール１がヒートシンク２に接続されている。開口部２ｉを囲むように、凹部２ｄの底部の表面には環状溝２ｈが形成されている。環状溝２ｈの内部にはＯリング２３が配置されている。Ｏリング２３は環状溝２ｈの内面と半導体モジュール１の第１主面１ａとに接触している。
　半導体モジュール１の第１主面１ａにおいて開口部２ｉと重なる領域には、フィン部１４ｄが形成されている。具体的には、フィン部１４ｄは半導体モジュール１の下面セラミックス基板１４における導体層１４ａ（図３参照）に形成されている。この結果、半導体モジュール１の第１主面１ａはヒートシンク２の冷却媒体２ｆと直接接触する。
　このようにすれば、図１～図６に示した半導体装置と同様の効果を得られるとともに、半導体モジュール１において発生する熱を第１主面１ａから冷却媒体２ｆへ直接的に伝えることができる。また、フィン部１４ｄ形成されているので、半導体モジュール１と冷却媒体２ｆとの接触面積を、当該フィン部１４ｄが形成されていない場合より大きくすることができる。この結果、半導体モジュール１から冷却媒体２ｆへの伝熱効率を向上させることができる。
　なお、上述した半導体モジュール１において、上面セラミックス基板１５および下面セラミックス基板１４に代えて板状の導電体からなる基板（ヒートシンク）を用いてもよい。当該基板の材料としてはたとえば銅または銅合金を用いることができる。また、この場合、半導体モジュール１において第１放熱シート４３ａとして、インサートモールドケース１１により信号端子１２および主端子１３と接合された部材を用いてもよい。この場合半導体モジュール１の部品点数を削減できる。
　なお、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２と下面セラミックス基板１４および上面セラミックス基板１５との接続にはんだを用いたが、他の部材を用いてもよい。たとえば、当該接続に用いる接合材として、銀フィラーをエポキシ樹脂に分散させた導電性接着剤、あるいはナノ粒子を低温焼成させる銀焼結材または銅焼結材などを用いてもよい。
　下面セラミックス基板１４の導体層１４ａ，１４ｃおよび上面セラミックス基板１５の導体層１５ａ、１５ｃを構成する材料は銅以外の金属を用いてもよい。たとえば、当該材料としてアルミニウムまたはニッケルを用いてもよい。アルミニウムを当該材料として用いる場合、はんだに対する濡れ性がアルミニウムは相対的に低いため、導体層１４ａ，１４ｃ，１５ａ，１５ｃの最表面が銅、ニッケル、金、銀などの金属により構成されることが好ましい。また、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２の表面電極２１ａ，２２ａおよび信号電極２１ｂを構成する材料は、はんだまたは銀焼結材で接合できる銅、金、銀、白金などであってもよい。
　＜作用効果＞
　本実施の形態に従った半導体装置は、半導体モジュール１と、ヒートシンク２と、放熱板４とを備える。半導体モジュール１は第１主面１ａと第２主面１ｂとを有する。第２主面１ｂは、第１主面１ａとは反対側に位置する。半導体モジュール１は、半導体素子としての第１半導体素子２１および第２半導体素子２２と、第１熱伝導板としての下面セラミックス基板１４と、第２熱伝導板としての上面セラミックス基板１５とを含む。半導体素子（第１半導体素子２１および第２半導体素子２２）は、互いに反対側に位置する２つの主面を有する。第１熱伝導板（下面セラミックス基板１４）は半導体素子の２つの主面のうちの一方と接合される。第２熱伝導板（上面セラミックス基板１５）は半導体素子の２つの主面のうちの他方と接合される。第１熱伝導板（下面セラミックス基板１４）は、第１主面１ａに露出する。第２熱伝導板（上面セラミックス基板１５）は、第２主面１ｂに露出する。ヒートシンク２には、半導体モジュール１の第１主面１ａが接続される。放熱板４には、半導体モジュール１の第２主面１ｂが接続される。ヒートシンク２は、冷却媒体２ｆを流通させる流路２ｃを含む。ヒートシンク２と放熱板４とは、第２主面１ｂに垂直な方向から見て半導体モジュール１と重ならない位置で接続されている。
　このようにすれば、放熱板４を介して半導体モジュール１の第２主面１ｂ側からも半導体モジュール１の熱をヒートシンク２へ伝えることができる。このため、従来のように半導体モジュール１の第１主面１ａおよび第２主面１ｂの両面側に冷却媒体の流路を配置するといった構成を採用することなく、半導体モジュール１を上記両面側から効果的に冷却できる。したがって、半導体モジュール１を十分に冷却して半導体装置の動作の安定性を確保しつつ、上記両面側に冷却媒体の流路を配置する場合より当該半導体装置の小型化、軽量化を図ることができる。
　上記半導体装置において、第１熱伝導板および第２熱伝導板はセラミックス基板である。セラミックス基板とは、セラミックスを含む絶縁基板であって、ベース基板としてのセラミックス基板１４ｂ、１５ｂの表面及び裏面にそれぞれ導体層１４ａ、１４ｃ、１５ａ，１５ｃが配置された構成であってもよい。この場合、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２をヒートシンク２および放熱板４から電気的に絶縁した状態で、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２からヒートシンク２および放熱板４に熱を伝えることができる。
　上記半導体装置において、ヒートシンク２と放熱板４とは面接触している。この場合、放熱板４からヒートシンク２への伝熱効率を向上させることができる。
　上記半導体装置において、ヒートシンク２と放熱板４とはカシメ接合されている。この場合、放熱板４からヒートシンク２への伝熱効率を向上させることができる。
　上記半導体装置において、放熱板４がヒートパイプ４ｎを含んでもよい。この場合、ヒートシンク２の状態とは独立して放熱板４により半導体モジュール１を冷却できる。
　上記半導体装置は、放熱板４上に配置された制御基板３を備える。このようにヒートシンク２、半導体モジュール１、放熱板４および制御基板３を積層配置することで、制御基板３を放熱板４とは離れた別の位置に配置する場合より、制御基板３と半導体モジュール１との接続構造などを簡略化できる。この結果、半導体装置の小型化を図ることができる。
　上記半導体装置は、第１放熱シート４３ａと第２放熱シート４３ｂとを備える。第１放熱シート４３ａは、半導体モジュール１の第１主面１ａとヒートシンク２との間に配置される。第２放熱シート４３ｂは、半導体モジュール１の第２主面１ｂと放熱板４との間に配置される。
　この場合、半導体モジュール１からヒートシンク２または放熱板４への熱伝導をより確実に行うことができる。
　上記半導体装置において、ヒートシンク２には、表面から流路２ｃに到達する開口部２ｉが形成されている。半導体モジュール１の第１主面１ａが開口部２ｉを塞ぐように、半導体モジュール１がヒートシンク２に接続されている。上記半導体装置では、半導体モジュール１の第１主面１ａにおいて開口部２ｉと重なる領域にはフィン部１４ｄが形成されていてもよい。
　この場合、半導体モジュール１から発生する熱を流路２ｃに流れる冷却媒体２ｆへ直接的に伝えることができる。
　上記半導体装置において、ヒートシンク２はモータを内部に保持するモータケースである。この場合、本実施の形態に係る半導体装置の構成をモータに適用することで、モータの小型化・軽量化を図ることができる。
　上記半導体装置において、ヒートシンク２は、モータの回転軸と交差する底面２ｋを含む。底面２ｋ上に半導体モジュール１および放熱板４が配置される。半導体モジュール１は、信号端子１２と、主端子１３とを含む。主端子１３には、信号端子１２より大きな電流が流れる。主端子１３は底面２ｋにおける外周部に位置する。信号端子１２は底面２ｋにおける中央部に位置する。
　この場合、主端子１３が外周側に配置されているので、大電流を流すため相対的に太い配線を主端子１３に接続しやすい構造となっている。また、信号端子１２が底面２ｋの中央部において制御基板３と重なるように配置できる。この場合、制御基板３のサイズを底面２ｋの中央部のみを覆うように底面２ｋの面積より小さく設定することができる。このように制御基板３のサイズを小さくできれば、制御基板３の基板（たとえばエポキシ基板など）のサイズを小さくできるため、制御基板３の製造コストを低減できる。
　本実施の形態に従った半導体装置の製造方法は、ヒートシンク２上に半導体モジュール１を配置する工程（Ｓ１０）を備える。半導体モジュール１は、第１主面１ａと、第２主面１ｂとを有する。第２主面１ｂは、第１主面１ａとは反対側に位置する。半導体モジュール１の第１主面１ａはヒートシンク２に面する。さらに、上記半導体装置の製造方法は、半導体モジュール１の第２主面１ｂに面するように放熱板４を配置する工程（Ｓ１０）を備える。放熱板４は、第２主面１ｂに垂直な方向から見て半導体モジュール１上から半導体モジュール１と重ならない位置にまで延びている。さらに、半導体装置の製造方法は、放熱板４とヒートシンク２とを、半導体モジュール１と重ならない上記位置において接続する工程（Ｓ２０）を備える。接続する工程（Ｓ２０）では、半導体モジュール１の第１主面１ａがヒートシンク２と接続されるとともに、半導体モジュール１の第２主面１ｂが放熱板４と接続される。このようにすれば、本実施の形態に係る半導体装置を得ることができる。
　実施の形態２．
　＜半導体装置の構成＞
　図１８は、実施の形態２に係る半導体装置の部分断面模式図である。図１８に示した半導体装置は、基本的には図１～図６に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、半導体モジュール１の構成および半導体モジュール１と放熱板４との接続部の構成が図１～図６に示した半導体装置と異なっている。具体的には、図１８に示した半導体装置では、はんだ３１によって下面セラミックス基板１４が放熱板４に接続されている。また、第１放熱シート４３ａによって半導体モジュール１の上面セラミックス基板１５がヒートシンク２に接続されている。また、半導体モジュール１のインサートモールドケース１１は放熱板４に固定されている。第１半導体素子２１および第２半導体素子２２は、はんだ３１によって上面セラミックス基板１５および下面セラミックス基板１４に接続されている。インサートモールドケース１１の内部は封止樹脂７により封止されている。
　＜半導体装置の製造方法＞
　図１９は、図１８に示した半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。図２０～図２３は、図１８に示した半導体装置の製造方法を説明するための部分断面模式図である。
　図１９に示すように、半導体装置の製造方法では、まず第１固定工程（Ｓ２１０）を実施する。この工程（Ｓ２１０）では、図２０に示すように、放熱板４の凹部４ｄ内に板状はんだ３０を配置する。板状はんだ３０上に下面セラミックス基板１４を配置する。下面セラミックス基板１４における導体層１４ａが板状はんだ３に面するように、下面セラミックス基板１４が配置される。下面セラミックス基板１４の導体層１４ｃ上に、板状はんだ３０を配置する。板状はんだ３０上に第１半導体素子２１および第２半導体素子２２が配置される。その後、リフロー炉での加熱により、板状はんだ３０を溶融させる。この結果、図２１に示すように放熱板４の凹部４ｄの内壁に下面セラミックス基板１４がはんだ３１によって固定される。また、下面セラミックス基板１４の導体層１４ｃに第１半導体素子２１および第２半導体素子２２がはんだ３１によって固定される。なお、下面セラミックス基板１４の導体層１４ａの表面が半導体モジュール１の第２主面１ｂを構成する。
　次に、第２固定工程（Ｓ２２０）を実施する。この工程（Ｓ２２０）では、下面セラミックス基板１４を囲むように、放熱板４の表面上にインサートモールドケース１１を配置する。また、第１半導体素子２１および第２半導体素子２２上に板状はんだ３０をそれぞれ配置する。板状はんだ３０上に上面セラミックス基板１５を配置する。導体層１５ｃが板状はんだ３０に面するように、上面セラミックス基板１５は配置される。この状態で、リフトーロでの加熱により板状はんだ３０を溶融させる。この結果、図２２に示すように、はんだ３１によって上面セラミックス基板１５を第１半導体素子２１および第２半導体素子２２に固定できる。上面セラミックス基板１５の高さ方向の位置は、支持部１１ａに上面セラミックス基板１５が一部接触することにより規定される。
　次に、配線工程（Ｓ２３０）が実施される。この工程（Ｓ２３０）では、図１３に示した工程と同様に第１半導体素子２１の信号電極２１ｂと図示しない信号端子１２とが配線によって接続される。
　次に、封止工程（Ｓ２４０）が実施される。この工程（Ｓ２４０）では、図１１に示した封止工程（Ｓ１４０）と同様に、インサートモールドケース１１内に液状封止樹脂が配置される。当該液状封止樹脂を加熱して硬化することで、封止樹脂７が形成される。このようにして、放熱板４に半導体モジュール１が固定された構造体を得ることができる。
　次に、位置決め工程（Ｓ２５０）が実施される。この工程（Ｓ２５０）では、放熱板４において半導体モジュール１が固定された面がヒートシンク２に面するように、ヒートシンク２上に放熱板４が配置される。半導体モジュール１の第１主面１ａがヒートシンク２に面する。第１主面１ａとヒートシンク２との間には第１放熱シート４３ａが配置される。
　次に、第３固定工程（Ｓ２６０）を実施する。この工程（Ｓ２６０）では、放熱板４をヒートシンク２に対してネジ４１等の固定部材により固定する。このとき、放熱板４の凹凸部４ａとヒートシンク２の凹凸部２ａとは互いに噛み合うように面接触する。放熱板４とヒートシンク２とはカシメ接続される。このようにして、図１８に示した半導体装置を得ることができる。
　＜作用効果＞
　上記半導体装置は、第１放熱シート４３ａとはんだ３１とを備える。第１放熱シート４３ａは、半導体モジュール１の第１主面１ａとヒートシンク２との間に配置される。はんだ３１は、半導体モジュール１の第２主面１ｂと放熱板４との間に配置される。
　この場合、図１～図６に示した半導体装置と同様の効果を得ることができる。また、半導体モジュール１がはんだ３１により放熱板４に固定されているので、当該はんだ３１を介して半導体モジュール１の熱を放熱板４に伝えることができる。
　本実施の形態に従った半導体装置の製造方法は、放熱板４に半導体モジュール１を接続する工程（Ｓ２１０、Ｓ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２４０）を備える。半導体モジュール１は、第１主面１ａと、第２主面１ｂとを有する。第２主面１ｂは、第１主面１ａとは反対側に位置する。接続する工程（Ｓ２１０、Ｓ２２０、Ｓ２３０、Ｓ２４０）において、第２主面１ｂが放熱板４とはんだ３１により接続される。放熱板４は、第２主面１ｂに垂直な方向から見て半導体モジュール１上から半導体モジュール１と重ならない位置にまで延びている。さらに、半導体装置の製造方法は、半導体モジュール１が接続された放熱板４を、ヒートシンク２に接続する工程（Ｓ２６０）を備える。ヒートシンク２に接続する工程（Ｓ２６０）では、半導体モジュール１の第１主面１ａがヒートシンク２と接続されるとともに、半導体モジュール１と重ならない位置において放熱板４とヒートシンク２とが接続される。このようにすれば、図１８に示した半導体装置を得ることができる。
　実施の形態３．
　＜半導体装置の構成＞
　図２４は、実施の形態３に係る半導体装置の展開模式図である。図２５は、図２４に示した半導体装置の正面模式図である。図２５は、図２４に示した半導体装置の具体的な構成例を示している。
　図２４および図２５に示した半導体装置は、基本的には図１～図６に示した半導体装置と同様の構成を備えるが、ヒートシンク２に対する半導体モジュール１と放熱板４と制御基板３との相対的な位置が図１～図６に示した半導体装置と異なっている。具体的には、図２４および図２５に示した半導体装置では、半導体モジュール１、放熱板４および制御基板３が円筒形状のヒートシンク２の側面２ｌ上に配置されている。モータケースであるヒートシンク２は円筒形状の外形を有する。ヒートシンク２は、円形状の底面２ｋと、底面の外周部に連なる側面２ｌとを有する。側面２ｌは、曲面状の第１部分２ｍと、平面状の第２部分２ｊとを有する。半導体モジュール１の第１主面１ａ（図３参照）はヒートシンク２の側面２ｌにおける第２部分２ｊ上に配置されている。放熱板４は半導体モジュール１を覆うように配置されている。
　放熱板４もヒートシンク２の側面２ｌにおける平坦な第２部分２ｊに接続されている。なお、放熱板４はヒートシンク２の側面２ｌにおける曲面状の第１部分２ｍに接続されていてもよい。ヒートシンク２の第２部分２ｊの内部には流路２ｃ（図３参照）が形成されている。制御基板３は放熱板４上に配置されている。なお、放熱板４には半導体モジュール１の主端子１３および信号端子１２を放熱板４の外側と接続するための貫通孔が形成されていてもよい。
　＜作用効果＞
　上記半導体装置において、モータケースであるヒートシンク２は円筒形状の外形を有する。ヒートシンク２は、円形状の底面２ｋと、底面の外周部に連なる側面２ｌとを有する。側面２ｌは、曲面状の第１部分２ｍと、平面状の第２部分２ｊとを有する。半導体モジュール１の第１主面１ａはヒートシンク２の側面２ｌにおける第２部分２ｊ上に配置されている。
　この場合、円筒形状のヒートシンク２の側面２ｌ上に半導体モジュール１および放熱板４を配置することができるので、ヒートシンク２の底面２ｋ上に半導体モジュール１および放熱板４を配置することが難しいような場合であっても本開示に係る半導体装置の構成を適用できる。
　実施の形態４．
　本実施の形態は、上述した実施の形態１～実施の形態３のいずれか１つ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。本開示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４として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
　図２６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。
　図２６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。
　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２６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。
　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。
　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および各還流ダイオードの少なくともいずれかは、上述した実施の形態１～実施の形態３のいずれかの半導体装置に相当する半導体装置２０２が有するスイッチング素子又は還流ダイオードである。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。
　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、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置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。
　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。
　本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１を構成する半導体装置２０２として実施の形態１～実施の形態３のいずれかにかかる半導体装置を適用するため、電力変換装置の動作の安定性を確保しつつ当該装置の小型化・軽量化を実現することができる。
　本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、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本開示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コンバータに本開示を適用することも可能である。
　また、本開示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。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の基本的な範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
　１　半導体モジュール、１ａ　第１主面、１ｂ　第２主面、２　ヒートシンク、２ａ，４ａ　凹凸部、２ｃ　流路、２ｄ，４ｄ　凹部、２ｆ，２ｎ　冷却媒体、２ｇ　表面、２ｈ　環状溝、２ｉ　開口部、２ｊ　第２部分、２ｋ　底面、２ｌ　側面、２ｍ　第１部分、３　制御基板、４　放熱板、４ｎ　ヒートパイプ、７　封止樹脂、１１　インサートモールドケース、１１ａ　支持部、１２　信号端子、１３　主端子、１４　下面セラミックス基板、１４ａ，１４ｃ，１５ａ，１５ｃ　導体層、１４ｂ，１５ｂ　セラミックス基板、１４ｄ　フィン部、１５　上面セラミックス基板、１６　配線、１７　液状封止樹脂、２１　第１半導体素子、２１ａ，２２ａ　表面電極、２１ｂ　信号電極、２２　第２半導体素子、２３　Ｏリング、　３１はんだ、４１　ネジ、４３　放熱シート、４３ａ　第１放熱シート、４３ｂ　第２放熱シート、９１，９２　矢印、１００　電源、２００　電力変換装置、２０１　主変換回路、２０２　半導体装置、２０３　制御回路、３００　負荷。

Claims (14)

  1. 　半導体モジュールを備え、前記半導体モジュールは第１主面と、前記第１主面とは反対側に位置する第２主面とを有し、
    　前記半導体モジュールは、半導体素子と、第１熱伝導板と、第２熱伝導板とを含み、前記半導体素子は、互いに反対側に位置する２つの主面を有し、
    　前記第１熱伝導板は前記半導体素子の前記２つの主面のうちの一方と接合され、
    　前記第２熱伝導板は前記半導体素子の前記２つの主面のうちの他方と接合され、
    　前記第１熱伝導板は、前記第１主面に露出し、
    　前記第２熱伝導板は、前記第２主面に露出し、さらに、
    　前記半導体モジュールの前記第１主面が接続されたヒートシンクと、
    　前記半導体モジュールの前記第２主面が接続された放熱板とを備え、
    　前記ヒートシンクは、冷却媒体を流通させる流路を含み、
    　前記ヒートシンクと前記放熱板とは、前記第２主面に垂直な方向から見て前記半導体モジュールと重ならない位置で接続されている、半導体装置。
  2. 　前記第１熱伝導板および前記第２熱伝導板はセラミックス基板である、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記ヒートシンクと前記放熱板とは面接触している、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
  4. 　前記ヒートシンクと前記放熱板とはカシメ接合されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 　前記放熱板がヒートパイプを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 　前記放熱板上に配置された制御基板を備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 　前記半導体モジュールの前記第１主面と前記ヒートシンクとの間に配置された第１放熱シートと、
    　前記半導体モジュールの前記第２主面と前記放熱板との間に配置された第２放熱シートと、を備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 　前記半導体モジュールの前記第１主面と前記ヒートシンクとの間に配置された第１放熱シートと、
    　前記半導体モジュールの前記第２主面と前記放熱板との間に配置されたはんだと、を備える、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 　前記ヒートシンクには、表面から前記流路に到達する開口部が形成され、
    　前記半導体モジュールの前記第１主面が前記開口部を塞ぐように、前記半導体モジュールが前記ヒートシンクに接続されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 　前記ヒートシンクはモータを内部に保持するモータケースである、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 　前記ヒートシンクは、前記モータの回転軸と交差する底面を含み、
    　前記底面上に前記半導体モジュールおよび前記放熱板が配置され、
    　前記半導体モジュールは、
    　信号端子と、
    　前記信号端子より大きな電流が流れる主端子と、を含み、
    　前記主端子は前記底面における外周部に位置し、
    　前記信号端子は前記底面における中央部に位置する、請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 　請求項１に記載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、
    　を備えた電力変換装置。
  13. 　ヒートシンク上に半導体モジュールを配置する工程を備え、
    　前記半導体モジュールは、第１主面と、前記第１主面とは反対側に位置する第２主面とを有し、
    　前記半導体モジュールの前記第１主面は前記ヒートシンクに面し、さらに、
    　前記半導体モジュールの前記第２主面に面するように放熱板を配置する工程を備え、
    　前記放熱板は、前記第２主面に垂直な方向から見て前記半導体モジュール上から前記半導体モジュールと重ならない位置にまで延びており、さらに、
    　前記放熱板と前記ヒートシンクとを、前記半導体モジュールと重ならない前記位置において接続する工程とを備え、
    　前記接続する工程では、前記半導体モジュールの前記第１主面が前記ヒートシンクと接続されるとともに、前記半導体モジュールの前記第２主面が前記放熱板と接続される、半導体装置の製造方法。
  14. 　放熱板に半導体モジュールを接続する工程を備え、
    　前記半導体モジュールは、第１主面と、前記第１主面とは反対側に位置する第２主面とを有し、
    　前記接続する工程において、前記第２主面が前記放熱板とはんだにより接続され、かつ、前記放熱板は、前記第２主面に垂直な方向から見て前記半導体モジュール上から前記半導体モジュールと重ならない位置にまで延びており、さらに、
    　前記半導体モジュールが接続された前記放熱板を、ヒートシンクに接続する工程を備え、
    　前記ヒートシンクに接続する工程では、前記半導体モジュールの前記第１主面が前記ヒートシンクと接続されるとともに、前記半導体モジュールと重ならない前記位置において前記放熱板と前記ヒートシンクとは接続される、半導体装置の製造方法。
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