WO2024004026A1 - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

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WO2024004026A1
WO2024004026A1 PCT/JP2022/025735 JP2022025735W WO2024004026A1 WO 2024004026 A1 WO2024004026 A1 WO 2024004026A1 JP 2022025735 W JP2022025735 W JP 2022025735W WO 2024004026 A1 WO2024004026 A1 WO 2024004026A1
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semiconductor device
cooler
sealing member
heat spreader
semiconductor
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PCT/JP2022/025735
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祥 小杉
穂隆 六分一
羽香奈 増田
翔太 森
耕三 原田
圭 山本
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/28—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection
    • H01L23/29—Encapsulations, e.g. encapsulating layers, coatings, e.g. for protection characterised by the material, e.g. carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device and a power conversion device.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-182105 (Patent Document 1) describes a semiconductor device.
  • the semiconductor device described in Patent Document 1 includes a cooler, a semiconductor element, a lead frame, and a sealing member.
  • the cooler has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface.
  • An element pattern layer is arranged on the first main surface.
  • a flow path through which a refrigerant flows is provided inside the cooler.
  • the semiconductor element has a front surface and a back surface.
  • a semiconductor element is arranged on the element pattern layer.
  • the electrode on the back surface of the semiconductor element is electrically connected to the element pattern layer by the first bonding material.
  • One end of the lead frame is electrically connected to an electrode on the surface of the semiconductor element by a second bonding material.
  • the other end of the lead frame is electrically connected to the element pattern layer by a third bonding material.
  • the cooler, semiconductor element, and lead frame are sealed with a sealant.
  • the present disclosure has been made in view of the problems of the prior art as described above. More specifically, the present disclosure provides a semiconductor device that can achieve both high cooling capacity and miniaturization.
  • the semiconductor device of the present disclosure includes a heat spreader, a semiconductor element, a cooler, an insulating layer, and a sealing member.
  • the heat spreader has a first surface and a second surface opposite to the first surface.
  • the semiconductor element has a third surface and a fourth surface opposite to the third surface, and is disposed such that the fourth surface faces the first surface.
  • the cooler is arranged to face the first surface with an insulating layer interposed therebetween.
  • a flow path through which a refrigerant flows is provided inside the cooler.
  • the sealing member seals the heat spreader, the semiconductor element, and the cooler. In plan view, the projected area of the cooler is less than or equal to the projected area of the heat spreader.
  • the semiconductor device of the present disclosure it is possible to achieve both high cooling capacity and miniaturization.
  • FIG. 2 is a plan view of a semiconductor device 100A. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. 1.
  • FIG. FIG. 7 is a plan view of a semiconductor device 100A according to a modification. It is a manufacturing process diagram of 100 A of semiconductor devices.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device 100B. It is a sectional view of semiconductor device 100C.
  • FIG. 2 is a plan view of a semiconductor device 100D.
  • FIG. 2 is a plan view of a semiconductor device 100E.
  • FIG. 7 is a plan view of a semiconductor device 100E according to a modification. 2 is a block diagram showing the configuration of a power conversion system 200.
  • Embodiment 1 A semiconductor device according to Embodiment 1 will be described.
  • the semiconductor device according to the first embodiment is referred to as a semiconductor device 100A.
  • FIG. 1 is a plan view of the semiconductor device 100A.
  • the cooler 40 is shown by a dotted line
  • the sealing member 70 is shown by a chain line.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 2 shows a cross section of the semiconductor device 100A perpendicular to a first direction DR1, which will be described later.
  • the semiconductor device 100A includes a heat spreader 10, a semiconductor element 20, a lead frame 30, a cooler 40, an insulating layer 50, an insulating sheet 60, and a sealing member 70. have.
  • the heat spreader 10 has a first surface 10a and a second surface 10b.
  • the first surface 10a and the second surface 10b are end surfaces of the heat spreader 10 in the thickness direction.
  • the second surface 10b is the opposite surface to the first surface 10a.
  • the heat spreader 10 is, for example, a copper plate.
  • the heat spreader 10 is formed by, for example, a press molding method.
  • the surface of the heat spreader 10 may have dimple-shaped or other unevenness formed thereon. This improves the adhesion with the sealing member 70 and suppresses peeling of the sealing member 70 from the heat spreader 10 due to thermal stress caused by heat generation during operation of the semiconductor device 100A.
  • the semiconductor element 20 has a third surface 20a and a fourth surface 20b.
  • the third surface 20a and the fourth surface 20b are end surfaces of the semiconductor element 20 in the thickness direction.
  • the fourth surface 20b is the opposite surface to the third surface 20a.
  • the semiconductor element 20 is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • the semiconductor element 20 has a first electrode and a second electrode on the third surface 20a, and a third electrode on the fourth surface 20b.
  • the first electrode and the second electrode are an emitter electrode and a gate electrode, respectively, and the third electrode is a collector electrode.
  • the first electrode, the second electrode, and the third electrode are made of, for example, aluminum or an aluminum alloy containing silicon.
  • the semiconductor element 20 is formed using a semiconductor substrate.
  • the semiconductor substrate is made of a semiconductor material such as silicon, silicon carbide, gallium nitride, or diamond.
  • the semiconductor element 20 is used, for example, in an inverter section that converts DC power into AC power.
  • the semiconductor element 20 is placed on the heat spreader 10. More specifically, the semiconductor element 20 is arranged such that the fourth surface 20b faces the first surface 10a. The fourth surface 20b is electrically connected to the first surface 10a by a bonding material 80. Thereby, the third electrode of the semiconductor element 20 is electrically connected to the heat spreader 10.
  • the bonding material 80 is made of, for example, a solder alloy or sintered silver particles.
  • the lead frame 30 has a lead part 31, a lead part 32, and a plurality of lead parts 33.
  • the lead frame 30 is formed, for example, by press-molding a copper plate.
  • the surface of the lead frame 30 may have dimple-shaped unevenness formed thereon. This improves the adhesion with the sealing member 70 and suppresses peeling of the sealing member 70 from the lead frame 30 due to thermal stress caused by heat generation during operation of the semiconductor device 100A.
  • the thickness of the lead frame 30 is preferably smaller than the thickness of the heat spreader 10.
  • the lead portion 31 is electrically connected to the semiconductor element 20. More specifically, the lead portion 31 is electrically connected to the first electrode of the semiconductor element 20 by a bonding material 81.
  • the bonding material 81 is made of, for example, a solder alloy or sintered silver particles.
  • the lead portion 32 is electrically connected to the heat spreader 10. More specifically, the lead portion 32 is electrically connected to the first surface 10a by a bonding material 82 (not shown).
  • the bonding material 82 is made of, for example, a solder alloy or sintered silver particles.
  • the lead portion 33 is electrically connected to the semiconductor element 20. More specifically, the lead portion 33 is electrically connected to the second electrode of the semiconductor element 20 by wire bonding using a wire 83.
  • the wire 83 is made of, for example, copper, iron, nickel, cobalt, aluminum, or an alloy thereof.
  • a flow path 41 is provided inside the cooler 40.
  • a refrigerant flows through the flow path 41 .
  • the refrigerant is, for example, water, but is not limited to this.
  • Fins 42 are provided inside the cooler 40 to improve cooling efficiency. Instead of the fins 42, pins may be provided inside the cooler 40.
  • the cooler 40 is made of aluminum, copper, or the like, for example.
  • the cooler 40 has a main body portion 43, a connecting portion 44, and a connecting portion 45.
  • the main body portion 43 is arranged to face the third surface 20a with a space therebetween.
  • the refrigerant flows inside the flow path 41 in the main body portion 43 along the first direction DR1.
  • a plan view refers to a case where the semiconductor device 100A is viewed from a direction perpendicular to the third surface 20a.
  • the connecting portion 44 is connected to one end of the main body portion 43 in the first direction DR1.
  • the connecting portion 45 is connected to the other end of the main body portion 43 in the first direction DR1.
  • the connecting portion 44 and the connecting portion 45 extend along the first direction DR1 in plan view.
  • a hose is connected to the connecting portion 44 and the connecting portion 45.
  • a refrigerant is supplied from a hose connected to the connection part 44. This refrigerant passes through the flow path 41 in the connection part 44 and flows in the flow path 41 in the main body part 43. and is discharged from the hose.
  • the projected area of the cooler 40 is less than or equal to the projected area of the heat spreader 10.
  • the width of the cooler 40 (main body portion 43) is preferably equal to or less than the width of the heat spreader 10.
  • the insulating layer 50 is interposed between the third surface 20a and the cooler 40. More specifically, the insulating layer 50 is interposed between the cooler 40 and the third surface 20a to which the lead frame 30 (lead portion 31) is connected. The insulating layer 50 electrically insulates the cooler 40 and the semiconductor element 20 (lead frame 30).
  • the insulating layer 50 is made of, for example, thermosetting resin such as epoxy resin. This thermosetting resin may contain filler. This filler is made of, for example, silica, alumina, boron nitride, or the like.
  • the insulating sheet 60 has a fifth surface 60a and a sixth surface 60b.
  • the fifth surface 60a and the sixth surface 60b are end surfaces of the insulating sheet 60 in the thickness direction.
  • the sixth surface 60b is the opposite surface to the fifth surface 60a.
  • the insulating sheet 60 has a metal layer 61 and an insulating layer 62.
  • the metal layer 61 and the insulating layer 62 are overlapped.
  • the fifth surface 60a is composed of an insulating layer 62
  • the sixth surface 60b is composed of a metal layer 61.
  • the metal layer 61 is, for example, a copper foil, a copper plate, an aluminum plate, or the like.
  • the insulating layer 62 is made of, for example, thermosetting resin such as epoxy resin.
  • thermosetting resin may contain filler.
  • This filler is made of, for example, silica, alumina, boron nitride, or the like.
  • the heat spreader 10 is arranged on the insulating sheet 60 so that the second surface 10b faces the fifth surface 60a.
  • the sealing member 70 seals the heat spreader 10, the semiconductor element 20, the lead frame 30, the cooler 40, the insulating layer 50, and the insulating sheet 60.
  • the metal layer 61 is exposed from the sealing member 70.
  • the lead portion 31, the lead portion 32, and the lead portion 33 protrude from the outer peripheral edge of the sealing member 70 along the second direction DR2.
  • the second direction DR2 is a direction orthogonal to the first direction DR1 in plan view.
  • the connecting portion 44 and the connecting portion 45 protrude from the outer peripheral edge of the sealing member 70 along the first direction DR1.
  • the lead portion 31, lead portion 32, and lead portion 33 that protrude from the outer periphery of the sealing member 70 in a plan view are connected to the connecting portion 44 and the connection portion that protrude from the outer periphery of the sealing member 70 in a plan view. It does not overlap with any of the 45.
  • the sealing member 70 is made of, for example, thermosetting resin.
  • This thermosetting resin is, for example, an epoxy resin or a phenol resin.
  • the sealing member 70 is formed by, for example, transfer molding or compression molding. The sealing member 70 ensures electrical insulation between the sealed members and functions as a case of the semiconductor device 100A.
  • an IGBT is used as an example of the semiconductor element 20, but the semiconductor element 20 may be a bipolar transistor, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), or a GTO (Gate Turn-Off thyristor). Further, the semiconductor element 20 may be a diode. Note that when the semiconductor element 20 is a diode, the semiconductor element 20 is used, for example, in a converter section that converts AC power into DC power.
  • FIG. 3 is a plan view of a semiconductor device 100A according to a modification.
  • the cooler 40 is shown in dotted lines.
  • the semiconductor device 100A may include a plurality of semiconductor devices 100A.
  • the lead portion 31 is electrically connected to the first electrode of each of the plurality of semiconductor elements 20.
  • Method for manufacturing semiconductor device 100A A method of manufacturing the semiconductor device 100A will be described below.
  • FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the semiconductor device 100A. As shown in FIG. 4, the method for manufacturing the semiconductor device 100A includes a preparation step S1 and a sealing step S2.
  • the heat spreader 10, the semiconductor element 20, the lead frame 30, the cooler 40, the insulating layer 50, and the insulating sheet 60 are prepared.
  • the semiconductor element 20 is connected to the heat spreader 10 with the bonding material 80
  • the lead part 31 is connected to the semiconductor element 20 with the bonding material 81
  • the lead part 32 is connected to the heat spreader 10 with the bonding material 82.
  • the lead portion 33 is connected to the semiconductor element 20 by a wire 83.
  • an insulating layer 50 is interposed between the third surface 20a and the cooler 40, and an insulating sheet 60 (insulating layer 62) is attached to the second surface 10b.
  • the sealing step S2 is performed after the preparation step S1.
  • the heat spreader 10, the semiconductor element 20, the lead frame 30, the cooler 40, the insulating layer 50, and the insulating sheet 60 prepared in the preparatory step S1 are placed inside a mold.
  • the upper mold presses down the parts of the lead part 31, lead part 32, lead part 33, connection part 44, and connection part 45 that protrude from the sealing member 70 after the sealing step S2.
  • an uncured sealing member 70 is injected into the space between the upper mold and the lower mold. Note that due to the pressure when injecting the sealing member 70, the insulating layer 50 comes into close contact with the semiconductor element 20 and the cooler 40, and the insulating layer 62 comes into close contact with the metal layer 61 and the heat spreader 10.
  • the sealing member 70 is heated. Thereby, the sealing member 70 is cured. Moreover, the insulating layer 50 and the insulating layer 62 are also hardened by this heating, and the semiconductor element 20 and the cooler 40 are bonded together with the insulating layer 50, and the metal layer 61 and the heat spreader 10 are bonded with the insulating layer 62. Through the above steps, the semiconductor device 100A having the structure shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured.
  • the projected area of the cooler 40 is less than or equal to the projected area of the heat spreader 10 in a plan view, and therefore miniaturization is possible. Note that when the width of the cooler 40 (main body portion 43) in the first direction DR1 is equal to or less than the width of the heat spreader 10, further miniaturization is possible.
  • the cooler 40 cools the semiconductor element 20 without diffusing the heat generated in the semiconductor element 20.
  • the lead frame 30 (lead portion 31) and the insulating layer 50 are present between the cooler 40 and the semiconductor element 20, these members are not intended to diffuse the heat generated in the semiconductor element 20. Therefore, even if the projected area of the cooler 40 is smaller than the projected area of the heat spreader 10 in plan view, the cooling capacity is unlikely to decrease. In this way, the semiconductor device 100A can achieve both high cooling capacity and miniaturization.
  • the extending directions of the lead parts 31 , 32 , and 33 that protrude from the outer periphery of the sealing member 70 are the extension directions of the connecting parts 44 and 45 that protrude from the outer periphery of the sealing member 70 .
  • the directions are orthogonal, it is possible to simplify the shapes of the upper mold and the lower mold, and it is possible to suppress damage and chipping of the semiconductor device 100A and the mold during die cutting.
  • Embodiment 2 A semiconductor device according to a second embodiment will be described.
  • the semiconductor device according to the second embodiment is referred to as a semiconductor device 100B.
  • differences from the semiconductor device 100A will be mainly explained, and duplicate explanations will not be repeated.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor device 100B.
  • FIG. 5 shows a cross section of the semiconductor device 100B at a position corresponding to II-II in FIG.
  • the semiconductor device 100B includes a heat spreader 10, a semiconductor element 20, a lead frame 30, a cooler 40, an insulating layer 50, an insulating sheet 60, and a sealing member 70. have.
  • the semiconductor device 100B further includes a bonding material 80, a bonding material 81, a bonding material 82 (not shown), and a wire 83. Regarding these points, the configuration of the semiconductor device 100B is common to the configuration of the semiconductor device 100A.
  • the sealing member 70 is filled between the third surface 20a and the cooler 40 (between the lead part 31 and the cooler 40), and the sealing member 70 is filled between the third surface 20a and the cooler 40.
  • the portion of the sealing member 70 filled in the insulating layer 50 functions as the insulating layer 50.
  • the configuration of the semiconductor device 100B is different from the configuration of the semiconductor device 100A.
  • Method for manufacturing semiconductor device 100B A method for manufacturing the semiconductor device 100B will be described below.
  • the method for manufacturing the semiconductor device 100B includes a preparation step S1 and a sealing step S2.
  • the method for manufacturing the semiconductor device 100B is common to the method for manufacturing the semiconductor device 100A.
  • the insulating layer 50 is not interposed between the semiconductor element 20 and the cooler 40 in the preparation step S1. Furthermore, in the method for manufacturing the semiconductor device 100B, when the heat spreader 10, the semiconductor element 20, the lead frame 30, the cooler 40, and the insulating sheet 60 are placed inside the mold, there is a gap between the semiconductor element 20 and the cooler 40. The space is empty. The sealing member 70 injected into the mold will flow into this space. Regarding these points, the method for manufacturing the semiconductor device 100B is different from the method for manufacturing the semiconductor device 100A.
  • the sealing member 70 since a part of the sealing member 70 can function as the insulating layer 50, it is not necessary to provide the insulating layer 50 separately from the sealing member 70, and the number of members used can be reduced. Can be done.
  • the adhesion between the semiconductor element 20 and the cooler 40 will be insufficient. Sometimes. In the semiconductor device 100B, since a part of the sealing member 70 functions as the insulating layer 50, a decrease in adhesion between the semiconductor element 20 and the cooler 40 due to the insulating layer 50 not being cured at an appropriate timing is suppressed. It is possible.
  • Embodiment 3 A semiconductor device according to a third embodiment will be described.
  • the semiconductor device according to the third embodiment is referred to as a semiconductor device 100C.
  • differences from the semiconductor device 100A will be mainly explained, and duplicate explanations will not be repeated.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the semiconductor device 100C.
  • FIG. 6 shows a cross section of the semiconductor device 100C at a position corresponding to II-II in FIG.
  • the semiconductor device 100B includes a heat spreader 10, a semiconductor element 20, a lead frame 30, a cooler 40, an insulating layer 50, and a sealing member 70.
  • the semiconductor device 100C further includes a bonding material 80, a bonding material 81, a bonding material 82 (not shown), and a wire 83. Regarding these points, the configuration of the semiconductor device 100C is common to the configuration of the semiconductor device 100A.
  • the semiconductor device 100C has an insulating substrate 63 instead of the insulating sheet 60.
  • the insulating substrate 63 includes an insulating base material 64, a conductive layer 65, and a conductive layer 66.
  • the insulating base material 64 has a seventh surface 64a and an eighth surface 64b.
  • the seventh surface 64a and the eighth surface 64b are end surfaces of the insulating base material 64 in the thickness direction.
  • the eighth surface 64b is the opposite surface to the seventh surface 64a.
  • the insulating base material 64 is made of, for example, a ceramic material such as alumina, aluminum nitride, silicon nitride, or the like.
  • the thickness of the insulating base material 64 is appropriately selected from the viewpoint of ensuring the necessary dielectric strength voltage.
  • the conductive layer 65 is arranged on the seventh surface 64a.
  • the conductive layer 66 is arranged on the eighth surface 64b.
  • the conductive layer 65 and the conductive layer 66 are made of copper, aluminum, etc., for example.
  • the semiconductor element 20 is arranged such that the fourth surface 20b faces the conductive layer 65.
  • the fourth surface 20b and the conductive layer 65 are electrically connected by the bonding material 80, and the conductive layer 65 and the lead part 32 are electrically connected by the bonding material 82. That is, in the semiconductor device 100C, the conductive layer 65 functions as the heat spreader 10.
  • the thickness of the conductive layer 65 and the thickness of the conductive layer 66 are appropriately selected from the viewpoint of ensuring cooling capacity. From the viewpoint of suppressing warpage of the insulating substrate 63, the thickness of the conductive layer 65 and the thickness of the conductive layer 66 are preferably equal.
  • the projected area of the cooler 40 is less than or equal to the projected area of the heat spreader 10 in plan view, so it is possible to achieve both high cooling capacity and miniaturization.
  • Embodiment 4 A semiconductor device according to a fourth embodiment will be described.
  • the semiconductor device according to the fourth embodiment is referred to as a semiconductor device 100D.
  • differences from the semiconductor device 100A will be mainly explained, and duplicate explanations will not be repeated.
  • FIG. 7 is a plan view of the semiconductor device 100D.
  • the semiconductor device 100D includes a heat spreader 10, a semiconductor element 20, a lead frame 30, a cooler 40, an insulating layer 50, an insulating sheet 60, and a sealing member 70. ing.
  • the semiconductor device 100D further includes a bonding material 80, a bonding material 81, and a bonding material 82 (not shown). Regarding these points, the configuration of the semiconductor device 100D is common to the configuration of the semiconductor device 100A.
  • the semiconductor device 100D has a plurality of semiconductor elements 20. More specifically, the semiconductor device 100D includes a semiconductor element 20A and a semiconductor element 20B. The semiconductor element 20A and the semiconductor element 20B are lined up along the second direction DR2 in plan view.
  • the lead portion 31 is electrically connected to the third surface 20a of the semiconductor element 20A and the third surface 20a of the semiconductor element 20B by a bonding material 81.
  • the cooler 40 includes a main body portion 46a, a main body portion 46b, and a connecting portion 47a, a connecting portion 47b, and a connecting portion 47c.
  • the main body portion 46a and the main body portion 46b are arranged to face the third surface 20a of the semiconductor element 20A and the third surface 20a of the semiconductor element 20B, respectively, with an insulating layer 50 interposed therebetween.
  • the connecting portion 47a is connected to one end of the main body portion 46a in the first direction DR1.
  • the connecting portion 47b is connected to one end of the main body portion 46b in the first direction DR1.
  • the connecting portion 47a and the connecting portion 47b protrude from only one side of the outer peripheral edge of the sealing member 70 in plan view along the first direction DR1.
  • the connecting portion 47c connects the other end of the main body portion 46a in the first direction DR1 and the other end of the main body portion 46b in the first direction DR1.
  • the connecting portion 47c is not exposed from the sealing member 70.
  • the configuration of the semiconductor device 100D is different from the configuration of the semiconductor device 100A.
  • the semiconductor device 100D even when the semiconductor element 20 is located at an uneven position, it is possible to achieve both high cooling capacity and miniaturization.
  • the semiconductor device 100D since the connecting portion 47a and the connecting portion 47b protrude from only one side of the outer peripheral edge of the sealing member 70 in a plan view, the semiconductor device 100D is Even when there are obstacles around, the semiconductor device 100D can be placed close to the obstacles, and the device in which the semiconductor device 100D is installed can be downsized.
  • Embodiment 5 A semiconductor device according to a fifth embodiment will be described.
  • the semiconductor device according to the fifth embodiment is referred to as a semiconductor device 100E.
  • differences from the semiconductor device 100D will be mainly explained, and duplicate explanations will not be repeated.
  • FIG. 8 is a plan view of the semiconductor device 100E.
  • the semiconductor device 100E includes a heat spreader 10, a plurality of semiconductor elements 20 (a semiconductor element 20A and a semiconductor element 20B), a lead frame 30, a cooler 40, an insulating layer 50, and an insulating sheet. 60 and a sealing member 70.
  • the semiconductor device 100E further includes a bonding material 80, a bonding material 81, and a bonding material 82 (not shown). Regarding these points, the configuration of the semiconductor device 100E is common to the configuration of the semiconductor device 100D.
  • the cooler 40 further includes a connecting portion 47d.
  • the connecting portion 47d is connected to the connecting portion 47c.
  • the connecting portion 47d protrudes from the outer peripheral edge of the sealing member 70 in a plan view along the first direction DR1.
  • the side of the outer periphery of the sealing member 70 from which the connecting portion 47d protrudes is on the opposite side in the first direction DR1 from the side of the outer periphery of the sealing member 70 from which the connecting portion 47a and the connecting portion 47b protrude. That is, in the semiconductor device 100E, the number of connection parts of the cooler 40 protruding from the outer peripheral edge of the sealing member 70 in plan view is three.
  • the refrigerant is supplied, for example, from a hose connected to the connection part 47d, and is branched off at the connection part between the flow path 41 in the connection part 47d and the flow path 41 in the connection part 47c.
  • One of the branched refrigerants flows through the flow path 41 in the connection portion 47c, the flow path 41 in the main body portion 46a, and the flow path in the connection portion 47a, and is discharged from the hose connected to the connection portion 47a.
  • the other branched refrigerant flows through the flow path 41 in the connection part 47c, the flow path 41 in the main body part 46b, and the flow path in the connection part 47b, and is discharged from the hose connected to the connection part 47a. Ru. Regarding these points, the configuration of the semiconductor device 100E is different from the configuration of the semiconductor device 100D.
  • FIG. 9 is a plan view of a semiconductor device 100E according to a modification.
  • the cooler 40 may include a connecting portion 47e and a connecting portion 47f instead of the connecting portion 47d.
  • the connecting portion 47e and the connecting portion 47f are connected to the other end of the main body portion 46a in the first direction DR1 and the other end of the main body portion 46b in the first direction DR1, respectively.
  • the connecting portion 47e and the connecting portion 47f protrude from the outer peripheral edge of the sealing member 70 in a plan view along the first direction DR1.
  • the side of the outer periphery of the sealing member 70 from which the connecting portion 47e and the connecting portion 47f protrude is opposite in the first direction DR1 from the side of the outer periphery of the sealing member 70 from which the connecting portion 47a and the connecting portion 47b protrude. It's on the side. That is, in the semiconductor device 100E, the number of connection parts of the cooler 40 protruding from the outer peripheral edge of the sealing member 70 in plan view may be three or more.
  • the cooler 40 When the cooler 40 has the connection part 47e and the connection part 47f, the refrigerant is supplied from the hose connected to the connection part 47e, and the refrigerant is supplied from the flow path 41 in the connection part 47e and the flow path in the main body part 46a. 41 and the flow path 41 in the connection part 47a, and is discharged from the hose connected to the connection part 47a.
  • the refrigerant is supplied from the hose connected to the connection part 47f, flows through the flow path 41 in the connection part 47f, the flow path 41 in the main body part 46b, and the flow path 41 in the connection part 47b, and then flows into the connection part 47b. It is discharged from the connected hose.
  • the cooler 40 may have a plurality of independent flow paths 41.
  • the semiconductor device 100E it is possible to branch the flow path 41 of the cooler 40 midway or to provide a plurality of independent flow paths 41 in the cooler 40. Therefore, in the semiconductor device 100E, it is possible to further increase the cooling capacity while making it possible to downsize the semiconductor device 100E.
  • Embodiment 6 the semiconductor device according to the first to fifth embodiments described above is applied to a power conversion device.
  • the present disclosure is not limited to a specific power conversion device, a case will be described below as a sixth embodiment in which the present disclosure is applied to a three-phase inverter.
  • the power conversion system according to the sixth embodiment is referred to as a power conversion system 200.
  • FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of the power conversion system 200.
  • the power conversion system includes a power source 300, a power conversion device 400, and a load 500.
  • Power supply 300 is a DC power supply and supplies DC power to power conversion device 400.
  • the power source 300 can be composed of various things, for example, it can be composed of a DC system, a solar battery, a storage battery, or it can be composed of a rectifier circuit or an AC/DC converter connected to an AC system. Good too.
  • the power supply 300 may be configured with a DC/DC converter that converts DC power output from a DC system into predetermined power.
  • the power conversion device 400 is a three-phase inverter connected between the power source 300 and the load 500, converts the DC power supplied from the power source 300 into AC power, and supplies the AC power to the load 500. As shown in FIG. 10, the power conversion device 400 includes a main conversion circuit 401 that converts DC power into AC power and outputs it, and a control circuit that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit 401 to the main conversion circuit 401. 403.
  • the load 500 is a three-phase electric motor driven by AC power supplied from the power converter 400.
  • the load 500 is not limited to a specific application, but is a motor installed in various electrical devices, and is used, for example, as a motor for a hybrid vehicle, an electric vehicle, a railway vehicle, an elevator, or an air conditioner.
  • the main conversion circuit 401 includes a switching element and a freewheeling diode (not shown), and when the switching element switches, it converts the DC power supplied from the power supply 300 into AC power, and supplies the AC power to the load 500.
  • the main conversion circuit 401 is a two-level three-phase full bridge circuit, and includes six switching elements and each switching element. It can be composed of six freewheeling diodes connected in antiparallel to each other.
  • each switching element and each freewheeling diode of main conversion circuit 401 is a switching element or freewheeling diode included in semiconductor module 402 corresponding to the semiconductor device according to any one of the first to fifth embodiments described above. be.
  • the six switching elements are connected in series every two switching elements to constitute upper and lower arms, and each upper and lower arm constitutes each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit.
  • the output terminals of the upper and lower arms that is, the three output terminals of the main conversion circuit 401, are connected to the load 500.
  • the main conversion circuit 401 includes a drive circuit (not shown) that drives each switching element, but the drive circuit may be built into the semiconductor module 402 or may include a drive circuit separately from the semiconductor module 402. It may be.
  • the drive circuit generates a drive signal for driving the switching element of the main conversion circuit 401 and supplies it to the control electrode of the switching element of the main conversion circuit 401. Specifically, according to a control signal from a control circuit 403, which will be described later, a drive signal that turns the switching element on and a drive signal that turns the switching element off are output to the control electrode of each switching element.
  • the drive signal When keeping the switching element in the on state, the drive signal is a voltage signal (on signal) that is greater than or equal to the threshold voltage of the switching element, and when the switching element is kept in the off state, the drive signal is a voltage signal that is less than or equal to the threshold voltage of the switching element. signal (off signal).
  • the control circuit 403 controls the switching elements of the main conversion circuit 401 so that the desired power is supplied to the load 500. Specifically, based on the power to be supplied to the load 500, the time during which each switching element of the main conversion circuit 401 should be in the on state (on time) is calculated. For example, the main conversion circuit 401 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 sent to the drive circuit included in the main conversion circuit 401 so that an on signal is output to the switching element that should be in the on state at each time, and an off signal is output to the switching element that should be in the off state. 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 the first to fifth embodiments described above is applied as the semiconductor module 402 constituting the main conversion circuit 401, the generation of thermal stress around the semiconductor element 20 is suppressed. At the same time, it is possible to reduce the current density in the current path from the semiconductor element 20.
  • the present disclosure is not limited to this and can be applied to various power conversion devices.
  • a two-level power converter is used, but a three-level or multi-level power converter may be used, and when supplying power to a single-phase load, the present disclosure may be applied to a single-phase inverter. May be applied.
  • the present disclosure can also 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 cases where the above-mentioned load is an electric motor. It can also be used as a power conditioner for solar power generation systems, power storage systems, etc.
  • 10 heat spreader 10a first surface, 10b second surface, 20, 20A, 20B semiconductor element, 20a third surface, 20b fourth surface, 30 lead frame, 31, 32, 33 lead part, 40 cooler, 41 flow path , 42 fin, 43 main body part, 44, 45 connection part, 46a, 46b main body part, 47a, 47b, 47c, 47d, 47e, 47f connection part, 50 insulating layer, 60 insulating sheet, 60a fifth surface, 60b sixth Surface, 61 Metal layer, 62 Insulating layer, 63 Insulating substrate, 64 Insulating base material, 64a Seventh surface, 64b Eighth surface, 65, 66 Conductive layer, 70 Sealing member, 80, 81, 82 Bonding material, 83 Wire , 100A, 100B, 100C, 100D, 100E semiconductor device, 200 power conversion system, 300 power supply, 400 power conversion device, 401 main conversion circuit, 402 semiconductor module, 403 control circuit, 500 load, DR1 first direction, DR2 second Direction, S1 preparation process, S2 sealing process.

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Abstract

半導体装置（１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ）は、ヒートスプレッダ（１０）と、半導体素子（２０）と、冷却器（４０）と、絶縁層（５０）と、封止部材（７０）とを備える。ヒートスプレッダは、第１面（１０ａ）と、第１面の反対面である第２面（１０ｂ）とを有する。半導体素子は、第３面（２０ａ）と第３面の反対面である第４面（２０ｂ）とを有し、かつ第４面が第１面と対向するように配置されている。冷却器は、絶縁層を介して第１面と対向するように配置されている。冷却器の内部には、冷媒が流れる流路（４１）が設けられている。封止部材は、ヒートスプレッダ、半導体素子及び冷却器を封止している。平面視において、冷却器の投影面積は、ヒートスプレッダの投影面積以下である。

Description

半導体装置及び電力変換装置
　本開示は、半導体装置及び電力変換装置に関する。
　例えば、特開２０１８－１８２１０５号公報（特許文献１）には、半導体装置が記載されている。特許文献１に記載の半導体装置は、冷却器と、半導体素子と、リードフレームと、封止部材とを有している。冷却器は、第１主面と第１主面の反対面である第２主面とを有している。第１主面上には、素子パターン層が配置されている。冷却器の内部には、冷媒が流れる流路が設けられている。
　半導体素子は、表面と、裏面とを有している。半導体素子は、素子パターン層上に配置されている。半導体素子の裏面の電極は、第１接合材により、素子パターン層に電気的に接続されている。リードフレームの一方端部は、第２接合材により、半導体素子の表面の電極に電気的に接続されている。リードフレームの他方端部は、第３接合材により、素子パターン層に電気的に接続されている。冷却器、半導体素子及びリードフレームは、封止材により封止されている。
特開２０１８－１８２１０５号公報
　特許文献１に記載の半導体装置では、半導体素子から発生した熱が、第１接合材及び素子パターン層を伝わって冷却器において放出される。しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置では、冷却器のサイズが大きく、小型化が困難である。
　本開示は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本開示は、高い冷却能力及び小型化を両立可能な半導体装置を提供するものである。
　本開示の半導体装置は、ヒートスプレッダと、半導体素子と、冷却器と、絶縁層と、封止部材とを備える。ヒートスプレッダは、第１面と、第１面の反対面である第２面とを有する。半導体素子は、第３面と第３面の反対面である第４面とを有し、かつ第４面が第１面と対向するように配置されている。冷却器は、絶縁層を介して第１面と対向するように配置されている。冷却器の内部には、冷媒が流れる流路が設けられている。封止部材は、ヒートスプレッダ、半導体素子及び冷却器を封止している。平面視において、冷却器の投影面積は、ヒートスプレッダの投影面積以下である。
　本開示の半導体装置によると、高い冷却能力及び小型化を両立可能である。
半導体装置１００Ａの平面図である。 図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 変形例に係る半導体装置１００Ａの平面図である。 半導体装置１００Ａの製造工程図である。 半導体装置１００Ｂの断面図である。 半導体装置１００Ｃの断面図である。 半導体装置１００Ｄの平面図である。 半導体装置１００Ｅの平面図である。 変形例に係る半導体装置１００Ｅの平面図である。 電力変換システム２００の構成を示すブロック図である。
　本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。以下の各実施の形態は、適宜組み合わせて適用されてもよい。
　実施の形態１．
　実施の形態１に係る半導体装置を説明する。実施の形態１に係る半導体装置を、半導体装置１００Ａとする。
　（半導体装置１００Ａの構成）
　以下に、半導体装置１００Ａの構成を説明する。
　図１は、半導体装置１００Ａの平面図である。図１中では、冷却器４０が点線で示されており、封止部材７０が１点鎖線で示されている。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図２には、後述する第１方向ＤＲ１に直交する半導体装置１００Ａの断面が示されている。図１及び図２に示されるように、半導体装置１００Ａは、ヒートスプレッダ１０と、半導体素子２０と、リードフレーム３０と、冷却器４０と、絶縁層５０と、絶縁シート６０と、封止部材７０とを有している。
　ヒートスプレッダ１０は、第１面１０ａと、第２面１０ｂとを有している。第１面１０ａ及び第２面１０ｂは、ヒートスプレッダ１０の厚さ方向における端面である。第２面１０ｂは、第１面１０ａの反対面である。ヒートスプレッダ１０は、例えば、銅板である。ヒートスプレッダ１０は、例えばプレス成形法で形成される。ヒートスプレッダ１０の表面には、ディンプル形状等の凹凸が形成されていてもよい。これにより、封止部材７０との密着性が改善され、半導体装置１００Ａの動作時の発熱に伴う熱応力による封止部材７０のヒートスプレッダ１０からの剥離が抑制される。
　半導体素子２０は、第３面２０ａと、第４面２０ｂとを有している。第３面２０ａ及び第４面２０ｂは、半導体素子２０の厚さ方向における端面である。第４面２０ｂは、第３面２０ａの反対面である。半導体素子２０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）である。半導体素子２０は、第３面２０ａに第１電極及び第２電極を有しており、第４面２０ｂに第３電極を有している。半導体素子２０がＩＧＢＴである場合、第１電極及び第２電極はそれぞれエミッタ電極及びゲート電極であり、第３電極はコレクタ電極である。第１電極、第２電極及び第３電極は、例えば、アルミニウム又はシリコンを含有するアルミニウム合金で形成されている。半導体素子２０は、半導体基板を用いて形成されている。半導体基板は、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム又はダイヤモンド等の半導体材料で形成されている。半導体素子２０は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータ部に用いられる。
　半導体素子２０は、ヒートスプレッダ１０上に配置されている。より具体的には、半導体素子２０は、第４面２０ｂが第１面１０ａと対向するように配置されている。第４面２０ｂは、接合材８０により、第１面１０ａに電気的に接続されている。これにより、半導体素子２０の第３電極が、ヒートスプレッダ１０に電気的に接続されている。接合材８０は、例えば、はんだ合金、焼結銀粒子で形成されている。
　リードフレーム３０は、リード部３１と、リード部３２と、複数のリード部３３とを有している。リードフレーム３０は、例えば銅板をプレス成形することで形成されている。図示されていないが、リードフレーム３０の表面には、ディンプル形状等の凹凸が形成されていてもよい。これにより、封止部材７０との密着性が改善され、半導体装置１００Ａの動作時の発熱に伴う熱応力による封止部材７０のリードフレーム３０からの剥離が抑制される。リードフレーム３０の厚さは、ヒートスプレッダ１０の厚さよりも小さいことが好ましい。
　リード部３１は、半導体素子２０に電気的に接続されている。より具体的には、リード部３１は、接合材８１により、半導体素子２０の第１電極に電気的に接続されている。接合材８１は、例えば、はんだ合金、焼結銀粒子で形成されている。リード部３２は、ヒートスプレッダ１０に電気的に接続されている。より具体的には、リード部３２は、接合材８２（図示せず）により、第１面１０ａに電気的に接続されている。接合材８２は、例えば、はんだ合金、焼結銀粒子で形成されている。
　リード部３３は、半導体素子２０に電気的に接続されている。より具体的には、リード部３３は、ワイヤ８３を用いたワイヤボンディングにより、半導体素子２０の第２電極に電気的に接続されている。ワイヤ８３は、例えば、銅、鉄、ニッケル、コバルト、アルミニウム又はこれらの合金で形成されている。
　冷却器４０の内部には、流路４１が設けられている。流路４１には、冷媒が流れる。冷媒は、例えば水であるが、これに限られるものではない。冷却器４０の内部には、冷却効率を高めるため、フィン４２が設けられている。フィン４２に代えて、冷却器４０の内部にピンが設けられていてもよい。冷却器４０は、例えば、アルミニウム、銅等で形成されている。
　冷却器４０は、本体部４３と、接続部４４と、接続部４５とを有している。本体部４３は、第３面２０ａと間隔を空けて対向するように配置されている。平面視において、冷媒は、本体部４３にある流路４１の内部を、第１方向ＤＲ１に沿って流れる。なお、平面視とは、半導体装置１００Ａを第３面２０ａに直交する方向から見た場合をいう。
　接続部４４は、第１方向ＤＲ１における本体部４３の一方端に接続されている。接続部４５は、第１方向ＤＲ１における本体部４３の他方端に接続されている。接続部４４及び接続部４５は、平面視において、第１方向ＤＲ１に沿って延在している。接続部４４及び接続部４５には、例えば、ホースが接続される。例えば接続部４４に接続されているホースからは、冷媒が供給される。この冷媒は、接続部４４にある流路４１を通って、本体部４３にある流路４１を流れる、本体部４３にある流路４１を流れた冷媒は、接続部４５にある流路４１を通って、ホースから排出される。
　平面視において、冷却器４０の投影面積は、ヒートスプレッダ１０の投影面積以下である。第１方向ＤＲ１に直交する断面視において、冷却器４０（本体部４３）の幅は、ヒートスプレッダ１０の幅以下であることが好ましい。
　絶縁層５０は、第３面２０ａと冷却器４０との間に介在されている。より具体的には、絶縁層５０は、リードフレーム３０（リード部３１）が接続されている第３面２０ａと冷却器４０との間に介在されている。絶縁層５０により、冷却器４０と半導体素子２０（リードフレーム３０）とが電気的に絶縁されている。絶縁層５０は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で形成されている。この熱硬化性樹脂は、フィラーを含有していてもよい。このフィラーは、例えば、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素等で形成されている。
　絶縁シート６０は、第５面６０ａと、第６面６０ｂとを有している。第５面６０ａ及び第６面６０ｂは、絶縁シート６０の厚さ方向における端面である。第６面６０ｂは、第５面６０ａの反対面である。絶縁シート６０は、金属層６１と絶縁層６２とを有している。金属層６１及び絶縁層６２は、重ね合わされている。第５面６０ａは絶縁層６２で構成されており、第６面６０ｂは金属層６１で構成されている。金属層６１は、例えば銅箔、銅板、アルミ板等である。絶縁層６２は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で形成されている。この熱硬化性樹脂は、フィラーを含有していてもよい。このフィラーは、例えば、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素等で形成されている。ヒートスプレッダ１０は、第２面１０ｂが第５面６０ａと対向するように絶縁シート６０上に配置されている。
　封止部材７０は、ヒートスプレッダ１０、半導体素子２０、リードフレーム３０、冷却器４０、絶縁層５０及び絶縁シート６０を封止している。封止部材７０からは、金属層６１が露出している。平面視において、封止部材７０の外周縁からは、リード部３１、リード部３２及びリード部３３が第２方向ＤＲ２に沿って突出している。第２方向ＤＲ２は、平面視において第１方向ＤＲ１に直交する方向である。また、平面視において、封止部材７０の外周縁からは、接続部４４及び接続部４５が、第１方向ＤＲ１に沿って突出している。平面視において封止部材７０の外周縁から突出しているリード部３１、リード部３２及びリード部３３のいずれもが、平面視において封止部材７０の外周縁から突出している接続部４４及び接続部４５のいずれとも重なっていない。
　封止部材７０は、例えば、熱硬化性樹脂で形成されている。この熱硬化性樹脂は、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂等である。封止部材７０は、例えば、トランスファー成形又はコンプレッション成形等により形成される。封止部材７０は、封止している各部材間の電気的な絶縁性を確保するとともに、半導体装置１００Ａのケースとして機能する。
　＜変形例＞
　上記の例では、半導体素子２０の例としてＩＧＢＴを挙げたが、半導体素子２０は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor）、ＧＴＯ（Gate　Turn-Off　thyristor）であってもよい。また、半導体素子２０は、ダイオードであってもよい。なお、半導体素子２０がダイオードである場合、半導体素子２０は、例えば、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部に用いられる。
　図３は、変形例に係る半導体装置１００Ａの平面図である。図３中では、冷却器４０が点線で示されている。図３に示されるように、半導体装置１００Ａは、複数の半導体装置１００Ａを有していてもよい。この場合、リード部３１は、複数の半導体素子２０の各々の第１電極に電気的に接続されている。
　（半導体装置１００Ａの製造方法）
　以下に、半導体装置１００Ａの製造方法を説明する。
　図４は、半導体装置１００Ａの製造工程図である。図４に示されるように、半導体装置１００Ａの製造方法は、準備工程Ｓ１と、封止工程Ｓ２とを有している。
　準備工程Ｓ１では、ヒートスプレッダ１０、半導体素子２０、リードフレーム３０、冷却器４０、絶縁層５０及び絶縁シート６０が準備される。準備工程Ｓ１の段階で、半導体素子２０は接合材８０でヒートスプレッダ１０に接続されており、リード部３１が接合材８１で半導体素子２０に接続されており、リード部３２が接合材８２でヒートスプレッダ１０に接続されており、リード部３３がワイヤ８３で半導体素子２０に接続されている。準備工程Ｓ１の段階で、第３面２０ａと冷却器４０との間には絶縁層５０が介在されており、絶縁シート６０（絶縁層６２）が第２面１０ｂに貼り付けられている。
　封止工程Ｓ２は、準備工程Ｓ１の後に行われる。封止工程Ｓ２では、第１に、準備工程Ｓ１において準備されたヒートスプレッダ１０、半導体素子２０、リードフレーム３０、冷却器４０、絶縁層５０及び絶縁シート６０が、金型の内部に配置される。この際、上金型は、封止工程Ｓ２の後に封止部材７０から突出するリード部３１、リード部３２、リード部３３、接続部４４及び接続部４５の部分を押さえている。第２に、上金型と下金型との間の空間に、未硬化の封止部材７０が注入される。なお、封止部材７０を注入する際の圧力により、絶縁層５０が半導体素子２０及び冷却器４０に密着するとともに、絶縁層６２が金属層６１及びヒートスプレッダ１０に密着する。
　第３に、封止部材７０に対する加熱が行われる。これにより、封止部材７０が硬化される。また、この加熱により絶縁層５０及び絶縁層６２も硬化し、半導体素子２０及び冷却器４０が絶縁層５０で接着されるとともに、金属層６１及びヒートスプレッダ１０が絶縁層６２で接着される。以上により、図１及び図２に示される構造の半導体装置１００Ａが製造されることになる。
　（半導体装置１００Ａの効果）
　以下に、半導体装置１００Ａの効果を説明する。
　半導体装置１００Ａでは、平面視において冷却器４０の投影面積がヒートスプレッダ１０の投影面積以下になっているため、小型化が可能である。なお、第１方向ＤＲ１における冷却器４０（本体部４３）の幅がヒートスプレッダ１０の幅以下である場合、さらなる小型化が可能である。
　また、半導体装置１００Ａでは、冷却器４０が、半導体素子２０において発生した熱を拡散させることなく半導体素子２０を冷却する。そして、冷却器４０と半導体素子２０との間にはリードフレーム３０（リード部３１）及び絶縁層５０が存在するが、これらの部材は半導体素子２０において発生した熱を拡散させるためのものではないため、平面視において冷却器４０の投影面積をヒートスプレッダ１０の投影面積以下としても、冷却能力は低下しにくい。このように、半導体装置１００Ａによると、高い冷却能力及び小型化の両立が可能である。
　平面視において封止部材７０の外周縁から突出しているリード部３１、リード部３２及びリード部３３のいずれもが平面視において封止部材７０の外周縁から突出している接続部４４及び接続部４５のいずれとも重なっていない場合、封止工程Ｓ２において上金型及び下金型のみで未硬化の封止部材７０が流出することを抑制可能である。特に、封止部材７０の外周縁から突出しているリード部３１、リード部３２及びリード部３３の延在方向が封止部材７０の外周縁から突出している接続部４４及び接続部４５の延在方向が直交している場合、上金型及び下金型の形状を簡略化することが可能であり、型抜き時の半導体装置１００Ａや金型の破損・欠けを抑制可能である。
　実施の形態２．
　実施の形態２に係る半導体装置を説明する。実施の形態２に係る半導体装置を、半導体装置１００Ｂとする。ここでは、半導体装置１００Ａと異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。
　（半導体装置１００Ｂの構成）
　以下に、半導体装置１００Ｂの構成を説明する。
　図５は、半導体装置１００Ｂの断面図である。図５には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置における半導体装置１００Ｂの断面が示されている。図５に示されているように、半導体装置１００Ｂは、ヒートスプレッダ１０と、半導体素子２０と、リードフレーム３０と、冷却器４０と、絶縁層５０と、絶縁シート６０と、封止部材７０とを有している。半導体装置１００Ｂは、接合材８０、接合材８１及び接合材８２（図示せず）と、ワイヤ８３とをさらに有している。これらの点に関して、半導体装置１００Ｂの構成は、半導体装置１００Ａの構成と共通している。
　半導体装置１００Ｂでは、封止部材７０が第３面２０ａと冷却器４０との間（リード部３１と冷却器４０との間）に充填されており、第３面２０ａと冷却器４０との間に充填されている封止部材７０の部分が絶縁層５０として機能している。この点に関して、半導体装置１００Ｂの構成は、半導体装置１００Ａの構成と異なっている。
　（半導体装置１００Ｂの製造方法）
　以下に、半導体装置１００Ｂの製造方法を説明する。
　半導体装置１００Ｂの製造方法は、準備工程Ｓ１と、封止工程Ｓ２とを有している。この点に関して、半導体装置１００Ｂの製造方法は、半導体装置１００Ａの製造方法と共通している。
　半導体装置１００Ｂの製造方法では、準備工程Ｓ１において、半導体素子２０と冷却器４０との間に、絶縁層５０が介在されていない。また、半導体装置１００Ｂの製造方法では、ヒートスプレッダ１０、半導体素子２０、リードフレーム３０、冷却器４０及び絶縁シート６０が金型の内部に配置される際、半導体素子２０と冷却器４０との間に空間が空いている。この空間に金型の内部に注入された封止部材７０が流れ込むことになる。これらの点に関して、半導体装置１００Ｂの製造方法は、半導体装置１００Ａの製造方法と異なっている。
　（半導体装置１００Ｂの効果）
　以下に、半導体装置１００Ｂの効果を説明する。
　半導体装置１００Ｂでは、封止部材７０の一部を絶縁層５０として機能させることができるため、封止部材７０とは別に絶縁層５０を設けることが不要となり、使用される部材の数を減らすことができる。
　封止部材７０とは別の絶縁層５０を設ける場合、封止工程Ｓ２において適切なタイミングで絶縁層５０を硬化させないと、半導体素子２０と冷却器４０との間の密着性が不十分となることがある。半導体装置１００Ｂでは、封止部材７０の一部が絶縁層５０として機能するため、絶縁層５０が適切なタイミングで硬化されないことによる半導体素子２０と冷却器４０との間の密着性の低下を抑制可能である。
　実施の形態３．
　実施の形態３に係る半導体装置を説明する。実施の形態３に係る半導体装置を、半導体装置１００Ｃとする。ここでは、半導体装置１００Ａと異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。
　図６は、半導体装置１００Ｃの断面図である。図６には、図１中のＩＩ－ＩＩに対応する位置における半導体装置１００Ｃの断面が示されている。図６に示されているように、半導体装置１００Ｂは、ヒートスプレッダ１０と、半導体素子２０と、リードフレーム３０と、冷却器４０と、絶縁層５０と、封止部材７０とを有している。半導体装置１００Ｃは、接合材８０、接合材８１及び接合材８２（図示せず）と、ワイヤ８３とをさらに有している。これらの点に関して、半導体装置１００Ｃの構成は、半導体装置１００Ａの構成と共通している。
　半導体装置１００Ｃは、絶縁シート６０に代えて絶縁基板６３を有している。絶縁基板６３は、絶縁基材６４と、導電層６５と、導電層６６とを有している。絶縁基材６４は、第７面６４ａと第８面６４ｂとを有している。第７面６４ａ及び第８面６４ｂは、絶縁基材６４の厚さ方向における端面である。第８面６４ｂは、第７面６４ａの反対面である。絶縁基材６４は、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化シリコン等のセラミック材料で形成されている。絶縁基材６４の厚さは、必要な絶縁耐圧を確保する観点から適宜選択される。
　導電層６５は、第７面６４ａ上に配置されている。導電層６６は、第８面６４ｂ上に配置されている。導電層６５及び導電層６６は、例えば銅、アルミニウム等で形成されている。半導体装置１００Ｃでは、半導体素子２０が、第４面２０ｂが導電層６５と対向するように配置されている。半導体装置１００Ｃでは、第４面２０ｂ及び導電層６５が接合材８０により電気的に接続されており、導電層６５及びリード部３２が接合材８２により電気的に接続されている。すなわち、半導体装置１００Ｃでは、導電層６５が、ヒートスプレッダ１０として機能している。導電層６５の厚さ及び導電層６６の厚さは、冷却能力を確保する観点から適宜選択される。絶縁基板６３の反りを抑制する観点から、導電層６５の厚さ及び導電層６６の厚さは、等しいことが好ましい。
　半導体装置１００Ｃでも、半導体装置１００Ａと同様に平面視において冷却器４０の投影面積がヒートスプレッダ１０の投影面積以下になっているため、高い冷却能力及び小型化の両立が可能である。
　実施の形態４．
　実施の形態４に係る半導体装置を説明する。実施の形態４に係る半導体装置を、半導体装置１００Ｄとする。ここでは、半導体装置１００Ａと異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。
　（半導体装置１００Ｄの構成）
　以下に、半導体装置１００Ｄの構成を説明する。
　図７は、半導体装置１００Ｄの平面図である。図７に示されるように、半導体装置１００Ｄは、ヒートスプレッダ１０と、半導体素子２０と、リードフレーム３０と、冷却器４０と、絶縁層５０と、絶縁シート６０と、封止部材７０とを有している。半導体装置１００Ｄは、接合材８０と、接合材８１と、接合材８２（図示せず）とをさらに有している。これらの点に関して、半導体装置１００Ｄの構成は、半導体装置１００Ａの構成と共通している。
　半導体装置１００Ｄは、複数の半導体素子２０を有している。より具体的には、半導体装置１００Ｄは、半導体素子２０Ａ及び半導体素子２０Ｂを有している。半導体素子２０Ａ及び半導体素子２０Ｂは、平面視において、第２方向ＤＲ２に沿って並んでいる。半導体装置１００Ｄでは、リード部３１が、半導体素子２０Ａの第３面２０ａ及び半導体素子２０Ｂの第３面２０ａに接合材８１により電気的に接続されている。半導体装置１００Ｄでは、冷却器４０が、本体部４６ａ及び本体部４６ｂと、接続部４７ａ、接続部４７ｂ及び接続部４７ｃとを有している。
　本体部４６ａ及び本体部４６ｂは、それぞれ絶縁層５０を介在させて半導体素子２０Ａの第３面２０ａ及び半導体素子２０Ｂの第３面２０ａと対向するように配置されている。接続部４７ａは、第１方向ＤＲ１における本体部４６ａの一方端に接続されている。接続部４７ｂは、第１方向ＤＲ１における本体部４６ｂの一方端に接続されている。接続部４７ａ及び接続部４７ｂは、第１方向ＤＲ１に沿って、平面視における封止部材７０の外周縁の１辺のみから突出している。接続部４７ｃは、第１方向ＤＲ１における本体部４６ａの他方端及び第１方向ＤＲ１における本体部４６ｂの他方端を接続している。接続部４７ｃは、封止部材７０から露出していない。これらの点に関して、半導体装置１００Ｄの構成は、半導体装置１００Ａの構成と異なっている。
　（半導体装置１００Ｄの効果）
　以下に、半導体装置１００Ｄの効果を説明する。
　半導体装置１００Ｄでは、半導体素子２０が偏った位置にある場合でも、高い冷却能力及び小型化の両立が可能である。また、半導体装置１００Ｄでは、接続部４７ａ及び接続部４７ｂが平面視における封止部材７０の外周縁の１辺のみから突出しているため、半導体装置１００Ｄが設置される装置のケースにおいて半導体装置１００Ｄの周囲に障害物がある場合でも、半導体装置１００Ｄを当該障害物に近接配置でき、半導体装置１００Ｄが設置される装置を小型化することが可能である。
　実施の形態５．
　実施の形態５に係る半導体装置を説明する。実施の形態５に係る半導体装置を、半導体装置１００Ｅとする。ここでは、半導体装置１００Ｄと異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さないものとする。
　（半導体装置１００Ｅの構成）
　以下に、半導体装置１００Ｅの構成を説明する。
　図８は、半導体装置１００Ｅの平面図である。図８に示されるように、半導体装置１００Ｅは、ヒートスプレッダ１０と、複数の半導体素子２０（半導体素子２０Ａ及び半導体素子２０Ｂ）と、リードフレーム３０と、冷却器４０と、絶縁層５０と、絶縁シート６０と、封止部材７０とを有している。半導体装置１００Ｅは、さらに、接合材８０と、接合材８１と、接合材８２（図示せず）とを有している。これらの点に関して、半導体装置１００Ｅの構成は、半導体装置１００Ｄの構成と共通している。
　半導体装置１００Ｅでは、冷却器４０が、接続部４７ｄをさらに有している。接続部４７ｄは、接続部４７ｃに接続されている。接続部４７ｄは、平面視における封止部材７０の外周縁から、第１方向ＤＲ１に沿って突出している。接続部４７ｄが突出している封止部材７０の外周縁の辺は、接続部４７ａ及び接続部４７ｂが突出している封止部材７０の外周縁の辺とは第１方向ＤＲ１において反対側にある。すなわち、半導体装置１００Ｅでは、平面視における封止部材７０の外周縁から突出している冷却器４０の接続部の数が、３つである。
　冷媒は、例えば、接続部４７ｄに接続されているホースから供給され、接続部４７ｄにある流路４１と接続部４７ｃにある流路４１との接続部において分岐される。分岐された冷媒の一方は、接続部４７ｃにある流路４１、本体部４６ａにある流路４１及び接続部４７ａにある流路を流れ、接続部４７ａに接続されているホースから排出される。また、分岐された冷媒の他方は、接続部４７ｃにある流路４１、本体部４６ｂにある流路４１及び接続部４７ｂにある流路を流れ、接続部４７ａに接続されているホースから排出される。これらの点に関して、半導体装置１００Ｅの構成は、半導体装置１００Ｄの構成と異なっている。
　＜変形例＞
　図９は、変形例に係る半導体装置１００Ｅの平面図である。図９に示されるように、半導体装置１００Ｅでは、冷却器４０が、接続部４７ｄに代えて、接続部４７ｅ及び接続部４７ｆを有していてもよい。接続部４７ｅ及び接続部４７ｆは、第１方向ＤＲ１における本体部４６ａの他方端及び第１方向ＤＲ１における本体部４６ｂの他方端にそれぞれ接続されている。接続部４７ｅ及び接続部４７ｆは、平面視における封止部材７０の外周縁から、第１方向ＤＲ１に沿って突出している。
　接続部４７ｅ及び接続部４７ｆが突出している封止部材７０の外周縁の辺は、接続部４７ａ及び接続部４７ｂが突出している封止部材７０の外周縁の辺とは第１方向ＤＲ１において反対側にある。すなわち、半導体装置１００Ｅでは、平面視における封止部材７０の外周縁から突出している冷却器４０の接続部の数が、３つ以上であってもよい。
　冷却器４０が接続部４７ｅ及び接続部４７ｆを有している場合、冷媒は、接続部４７ｅに接続されているホースから供給され、接続部４７ｅにある流路４１、本体部４６ａにある流路４１及び接続部４７ａにある流路４１を流れて、接続部４７ａに接続されているホースから排出される。冷媒は、接続部４７ｆに接続されているホースから供給され、接続部４７ｆにある流路４１、本体部４６ｂにある流路４１及び接続部４７ｂにある流路４１を流れて、接続部４７ｂに接続されているホースから排出される。このように、半導体装置１００Ｄでは、冷却器４０が複数の独立した流路４１を有していてもよい。
　（半導体装置１００Ｅの効果）
　以下に、半導体装置１００Ｅの効果を説明する。
　半導体装置１００Ｅでは、冷却器４０の流路４１を途中で分岐されたり、冷却器４０に複数の独立した流路４１を設けたりすることが可能となる。そのため、半導体装置１００Ｅでは、小型化を可能としつつ、冷却能力をさらに高めることが可能となる。
　実施の形態６．
　本実施の形態は、上述した実施の形態１～実施の形態５に係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、以下においては、実施の形態６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。実施の形態６に係る電力変換システムを、電力変換システム２００とする。
　図１０は、電力変換システム２００の構成を示すブロック図である。図１０に示されるように、電力変換システムは、電源３００、電力変換装置４００、負荷５００から構成されている。電源３００は、直流電源であり、電力変換装置４００に直流電力を供給する。電源３００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３００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４００は、電源３００と負荷５００の間に接続された三相のインバータであり、電源３００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷５００に交流電力を供給する。電力変換装置４００は、図１０に示されるように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路４０１と、主変換回路４０１を制御する制御信号を主変換回路４０１に出力する制御回路４０３とを備えている。
　負荷５００は、電力変換装置４００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５００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、エレベーター若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４００の詳細を説明する。主変換回路４０１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３００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷５００に供給する。主変換回路４０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路４０１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４０１の各スイッチング素子及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５のいずれかに係る半導体装置に相当する半導体モジュール４０２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４０１の３つの出力端子は、負荷５００に接続される。
　主変換回路４０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体モジュール４０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール４０２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４０１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４０１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４０３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４０３は、負荷５００に所望の電力が供給されるよう主変換回路４０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷５００に供給すべき電力に基づいて主変換回路４０１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制御により主変換回路４０１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４０１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。
　電力変換装置４００では、主変換回路４０１を構成する半導体モジュール４０２として上述した実施の形態１～実施の形態５に係る半導体装置を適用するため、半導体素子２０の周囲における熱応力の発生を抑制しつつ、半導体素子２０からの電流経路における電流密度の低減することが可能である。
　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全ての点で例示であり、制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の基本的な範囲は上記の実施の形態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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　１０　ヒートスプレッダ、１０ａ　第１面、１０ｂ　第２面、２０，２０Ａ，２０Ｂ　半導体素子、２０ａ　第３面、２０ｂ　第４面、３０　リードフレーム、３１，３２，３３　リード部、４０　冷却器、４１　流路、４２　フィン、４３　本体部、４４，４５　接続部、４６ａ，４６ｂ　本体部、４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄ，４７ｅ，４７ｆ　接続部、５０　絶縁層、６０　絶縁シート、６０ａ　第５面、６０ｂ　第６面、６１　金属層、６２　絶縁層、６３　絶縁基板、６４　絶縁基材、６４ａ　第７面、６４ｂ　第８面、６５，６６　導電層、７０　封止部材、８０，８１，８２　接合材、８３　ワイヤ、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ　半導体装置、２００　電力変換システム、３００　電源、４００　電力変換装置、４０１　主変換回路、４０２　半導体モジュール、４０３　制御回路、５００　負荷、ＤＲ１　第１方向、ＤＲ２　第２方向、Ｓ１　準備工程、Ｓ２　封止工程。

Claims (10)

  1. 　ヒートスプレッダと、
    　半導体素子と、
    　冷却器と、
    　絶縁層と、
    　封止部材とを備え、
    　前記ヒートスプレッダは、第１面と、前記第１面の反対面である第２面とを有し、
    　前記半導体素子は、第３面と前記第３面の反対面である第４面とを有し、かつ前記第４面が前記第１面と対向するように配置されており、
    　前記冷却器は、前記絶縁層を介して前記第１面と対向するように配置されており、
    　前記冷却器の内部には、冷媒が流れる流路が設けられており、
    　前記封止部材は、前記ヒートスプレッダ、前記半導体素子及び前記冷却器を封止しており、
    　平面視において、前記冷却器の投影面積は、前記ヒートスプレッダの投影面積以下である、半導体装置。
  2. 　前記半導体素子上にある前記流路の内部を流れる前記冷媒の方向に直交する断面視において、前記半導体素子上にある前記流路の幅は、前記ヒートスプレッダの幅以下である、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記第３面に電気的に接続されているリードフレームをさらに備え、
    　前記冷却器は、少なくとも１つの接続部を有し、
    　前記リードフレームは、リード部を有し、
    　前記接続部及び前記リード部は、平面視において、前記封止部材の外周縁から突出しており、かつ互いに重なっていない、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
  4. 　平面視において、前記接続部の延在している方向は、前記リード部の延在している方向と直交している、請求項３に記載の半導体装置。
  5. 　前記接続部は、平面視において、前記封止部材の外周縁の１辺のみから突出している、請求項３又は請求項４に記載の半導体装置。
  6. 　平面視において前記封止部材の外周縁から突出している前記接続部の数は、３以上である、請求項３又は請求項４に記載の半導体装置。
  7. 　前記絶縁層は、前記第１面と前記冷却器との間に充填されている前記封止部材で構成されている、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 　絶縁シートをさらに備え、
    　前記ヒートスプレッダは、前記第２面が前記絶縁シートと対向するように前記絶縁シート上に配置されており、
    　前記封止部材は、前記絶縁シートをさらに封止している、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 　絶縁基材をさらに備え、
    　前記ヒートスプレッダは、前記第２面が前記絶縁基材と対向するように前記絶縁層上に配置されており、
    　前記ヒートスプレッダ及び前記絶縁基材は、絶縁基板を構成しており、
    　前記封止部材は、前記絶縁基材をさらに封止している、請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 　請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の前記半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    　前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備える、電力変換装置。
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