CN116031226A - 半导体装置及电力转换装置 - Google Patents

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semiconductor device
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bonded
semiconductor element
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西山正幸
米山玲
吉松直树
荒木慎太郎
川濑达也
益本宽之
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Abstract

目的在于提供能够在半导体装置中缓和向绝缘部件的应力，实现可靠性的提高的技术。半导体装置(50)具有：绝缘层(3)；电路图案(4)，其设置于绝缘层的上表面；半导体元件(5)，其通过第1接合材料(7a)与电路图案的上表面接合；绝缘部件(6)，其通过第2接合材料(7b)与电路图案的上表面接合；以及引线电极(9)，其将半导体元件与绝缘部件连接，半导体元件的上表面与引线电极(9)的下表面通过第3接合材料(7c)而接合，绝缘部件的上表面与引线电极的下表面通过第4接合材料(7d)而接合，第1接合材料(7a)、第2接合材料(7b)、第3接合材料(7c)及第4接合材料(7d)由相同的材质构成。

Description

半导体装置及电力转换装置
技术领域
本发明涉及半导体装置及电力转换装置。
背景技术
伴随半导体装置的电流大容量化，要求提高半导体装置所具有的半导体元件和引线电极的散热性。
例如，在专利文献1中公开了如下半导体装置，其具有：半导体元件；引线电极，其一端的下表面与半导体元件的上表面连接；冷却机构，其隔着散热器而配置于半导体元件的下表面侧；以及散热块，其热耦合地配置于冷却机构与引线电极的比一端更靠另一端侧的下表面之间。由此，不会使产品尺寸大型化，提高了半导体元件和引线电极的散热性。
专利文献1：国际公开第2017/130370号
但是，在专利文献1所记载的技术中，如果散热块的高度尺寸相对于将半导体元件、焊料、散热器及引线电极合计起来的高度尺寸而产生微小的偏差，则相对容易变形的部件会发生变形。如果在散热块的下侧设置的绝缘层发生变形而产生绝缘破坏，则导致半导体装置的动作不良。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供能够在半导体装置中缓和向绝缘部件的应力，实现可靠性的提高的技术。
本发明涉及的半导体装置具有：绝缘层；电路图案，其设置于所述绝缘层的上表面；半导体元件，其通过第1接合材料与所述电路图案的上表面接合；绝缘部件，其通过第2接合材料与所述电路图案的上表面接合；以及引线电极，其将所述半导体元件与所述绝缘部件连接，所述半导体元件的上表面与所述引线电极的下表面通过第3接合材料而接合，所述绝缘部件的上表面与所述引线电极的下表面通过第4接合材料而接合，所述第1接合材料、所述第2接合材料、所述第3接合材料及所述第4接合材料由相同的材质构成。
发明的效果
根据本发明，通过对用于将绝缘部件与电路图案的上表面接合的第2接合材料和用于将绝缘部件的上表面与引线电极的下表面接合的第4接合材料的厚度进行调整，从而能够缓和向绝缘部件的应力。
并且，第1接合材料、第2接合材料、第3接合材料及第4接合材料由相同的材质构成，能够削减接合所需的加热次数，因此能够抑制半导体装置所具有的各部件的热劣化。由此，能够提高半导体装置的可靠性。
附图说明
图1是实施方式1涉及的半导体装置的概略剖视图。
图2是实施方式1涉及的半导体装置所具有的引线电极的从上方进行观察时的概略俯视图。
图3是实施方式2涉及的半导体装置的概略剖视图。
图4是实施方式2的变形例1涉及的半导体装置所具有的引线电极的从上方进行观察时的概略俯视图。
图5是实施方式2的变形例2涉及的半导体装置的概略剖视图。
图6是表示实施方式2的变形例3涉及的半导体装置的结构的电路图。
图7是表示实施方式2的变形例4涉及的半导体装置的结构的电路图。
图8是实施方式2的变形例5涉及的半导体装置的概略剖视图。
图9是实施方式2的变形例6涉及的半导体装置所具有的引线电极的俯视图。
图10是实施方式3涉及的半导体装置的概略剖视图。
图11是实施方式4涉及的半导体装置的概略剖视图。
图12是实施方式5涉及的半导体装置的概略剖视图。
图13是表示电力转换系统的结构的框图，在该电力转换系统中应用了实施方式6涉及的电力转换装置。
具体实施方式
＜实施方式1＞
＜半导体装置的结构＞
以下，使用附图对实施方式1进行说明。图1是实施方式1涉及的半导体装置50的概略剖视图。图2是实施方式1涉及的半导体装置50所具有的引线电极9的从上方进行观察时的概略俯视图。
如图1所示，半导体装置50具有冷却机构1、金属图案2、绝缘层3、电路图案4、半导体元件5、绝缘部件6、引线电极8、9和封装树脂10。
冷却机构1是将Al或Cu作为主要材料而构成的，是在内部具有鳍片构造的构造体，具有水冷的冷却功能。
金属图案2隔着散热脂(未图示)而设置于冷却机构1的上表面。金属图案2是将铜作为主要材料而构成的。通过采用导热率高的材料作为金属图案2，从而能够使半导体元件5的发热有效地扩散，提高半导体装置50的寿命。
绝缘层3设置于金属图案2的上表面。绝缘层3是将AlN、Al2O3或SiN作为主要材料而构成的。在绝缘层3的上表面设置有电路图案4。通过采用导热率高的材料作为绝缘层3，从而使经由绝缘层3从电路图案4向金属图案2的散热性提高，因此能够抑制半导体元件5的温度上升，提高半导体装置50的寿命。
另外，绝缘层3也可以是将具有大于或等于10W/m·K的导热率的树脂作为主要材料而构成的。通过采用导热率高且抗变形能力强的材料作为绝缘层3，从而能够在热循环等中，在半导体装置50内的部件产生了微小变形时抑制裂纹的产生，因此，就半导体装置50而言，能够兼顾高散热和高可靠性这两者。并且廉价。
在电路图案4的上表面接合有引线电极8的内部连接部8a、半导体元件5和绝缘部件6。引线电极8的内部连接部8a通过接合材料7与电路图案4的上表面接合。半导体元件5通过第1接合材料7a与电路图案4的上表面接合。绝缘部件6通过第2接合材料7b与电路图案4的上表面接合。在半导体元件5和绝缘部件6的上表面分别通过第3接合材料7c和第4接合材料7d而接合有引线电极9，该引线电极9将半导体元件5与绝缘部件6连接。
这样，在绝缘部件6的下表面及上表面分别配置有第2接合材料7b及第4接合材料7d。第2接合材料7b及第4接合材料7d的厚度能够调整，通过将第2接合材料7b及第4接合材料7d调整为适当的厚度，从而能够使第2接合材料7b及第4接合材料7d具有作为绝缘部件6的缓冲材料的作用。由此，能够缓和向绝缘部件6的应力。
绝缘部件6位于引线电极9的内部连接部9a的接合有半导体元件5的部位与外部连接部9b之间。另外，引线电极9的内部连接部9a的接合有绝缘部件6的部位向下侧凹陷，引线电极9的除此以外的部位呈平板状。半导体元件5的发热从半导体元件5的下表面向电路图案4散热，并且从半导体元件5的上表面向引线电极9传导，从引线电极9经由绝缘部件6而向电路图案4散热，因此，能够抑制半导体元件5和引线电极9的温度上升。
绝缘部件6是将具有氧化膜的Si、AlN、Al2O3、SiN或导热率比封装树脂10高的树脂作为主要材料而构成的。通过使绝缘部件6采用导热率高的材料，从而引线电极9的热经由绝缘部件6而高效地传导至冷却机构1，因此，能够抑制半导体元件5及引线电极9的温度上升，提高半导体装置50的寿命及温度特性。
第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d由相同的材质构成，能够削减接合所需的加热次数，因此，能够抑制半导体装置50所具有的各部件的热劣化。具体地说，第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d采用焊料或银。通过采用导热性高的接合材料作为第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d，从而能够有效地进行向半导体元件5的上表面及下表面的热扩散及从引线电极9经由绝缘部件6向冷却机构1的热扩散。由此，能够抑制半导体元件5和引线电极9的温度上升，能够提高半导体装置50的寿命及温度特性。此外，接合材料7也由与第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d相同的材质构成。
引线电极8、9是将铜作为主要材料而构成的。通过采用导热率高的材料作为引线电极8、9，从而能够使在半导体元件5产生的热有效地扩散，因此促进了半导体装置50的品质稳定化。
另外，引线电极9的截面积被设定为与半导体装置50的驱动时的半导体元件5的发热温度相比由引线电极9的导体电阻引起的发热温度小的大小。以下，对这种情况进行说明。如果将半导体元件5的发热温度设为T1，将引线电极9的发热温度设为T2，则通过设为T1＞T2，从而在半导体元件5产生的热经由引线电极9和绝缘部件6而散热至冷却机构1。为了使T1＞T2，需要半导体元件5的电阻值R1与引线电极9的电阻值R2之间的关系为R1＞R2。如果将引线电极9的电阻率设为ρ，将引线电极9的长度设为L，将引线电极9的截面积设为A，则R2通过R2＝ρ×L/A进行表示，因此，通过将引线电极9的截面积A设定得大，从而意味着R1＞R2即T1＞T2。
如上所述，通过将引线电极9的截面积A设定得大，从而在半导体元件5产生的热经由引线电极9和绝缘部件6而散热至冷却机构1，由此半导体元件5的温度下降，因此，半导体装置50的最大温度下降，促进了半导体装置50的寿命提高及动作稳定化。
另外，引线电极9的宽度也可以不是恒定的。通过使引线电极9的电路路径的宽度比其它部分的宽度大，从而能够使电流密度变小，因此能够抑制由引线电极9的电阻引起的发热量。由此，能够抑制半导体装置50的温度上升。
作为半导体元件5而采用反向导通IGBT(RC-IGBT：Reverse Conducting IGBT)。由此，能够使半导体元件5的面积变小，因此能够实现半导体装置50的小型化。另外，反向导通IGBT与分别搭载IGBT芯片和二极管芯片的情况相比，由于始终处于通电状态，因此容易成为高温。但是，通过采用实施方式1的构造，从而能够从半导体元件5的上表面经由引线电极9进行散热，因此，就半导体装置50而言，能够抑制温度上升而实现稳定动作。
另外，作为半导体元件5的半导体材料而采用SiC。通过采用低损耗的半导体元件5，从而能够抑制半导体元件5的发热，因此，半导体装置50内的最大温度下降，能够提高半导体装置50的寿命。另外，就半导体装置50而言，能够削减所使用的电量，因此能够实现节能化。
封装树脂10是环氧树脂或凝胶，将金属图案2中的除下表面以外的部分、绝缘层3、电路图案4、引线电极8、9的内部连接部8a、9a、半导体元件5和绝缘部件6封装，引线电极8、9的外部连接部8b、9b从封装树脂10凸出。
如图2所示，考虑以下情况，即，2个电路图案4并排地设置，在与设置有引线电极8的电路图案4不同的电路图案4与引线电极8并排地设置有引线电极12。能够通过封装树脂10而缩短2个电路图案4之间及引线电极8与引线电极12之间的绝缘距离，因此能够实现半导体装置50的小型化。另外，封装树脂10还具有对半导体元件5进行保护的作用，因此，能够缓和向半导体元件5的外部冲击，提高半导体装置50的寿命。
＜效果＞
如上所述，实施方式1涉及的半导体装置50具有：绝缘层3；电路图案4，其设置于绝缘层3的上表面；半导体元件5，其通过第1接合材料7a与电路图案4的上表面接合；绝缘部件6，其通过第2接合材料7b与电路图案4的上表面接合；以及引线电极9，其将半导体元件5与绝缘部件6连接，半导体元件5的上表面与引线电极9的下表面通过第3接合材料7c而接合，绝缘部件6的上表面与引线电极9的下表面通过第4接合材料7d而接合，第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d由相同的材质构成。
因此，通过对用于将绝缘部件6与电路图案4的上表面接合的第2接合材料7b和用于将绝缘部件6的上表面与引线电极9的下表面接合的第4接合材料7d的厚度进行调整，从而能够缓和向绝缘部件6的应力。
并且，第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d由相同的材质构成，能够削减接合所需的加热次数，因此能够抑制半导体装置50所具有的各部件的热劣化。由此，能够提高半导体装置50的可靠性。
另外，引线电极9具有能够与外部装置连接的外部连接部9b，绝缘部件6位于引线电极9的接合有半导体元件5的部位与外部连接部9b之间。因此，半导体元件5的发热经由绝缘部件6而散热至电路图案4，因此能够抑制半导体元件5和引线电极9的温度上升。
另外，半导体装置50还具有将引线电极9的一部分、半导体元件5和绝缘部件6封装的封装树脂10，封装树脂10包含环氧树脂或凝胶。因此，能够缩短半导体装置50内的电路图案4与引线电极9之间的绝缘距离，因此能够实现半导体装置50的小型化。另外，封装树脂10还具有对半导体元件5进行保护的作用，因此能够缓和向半导体元件5的外部冲击，提高半导体装置50的寿命。
另外，绝缘部件6包含具有氧化膜的Si、AlN、Al2O3、SiN或导热率比封装树脂10高的树脂。因此，引线电极9的热经由绝缘部件6而高效地传导至冷却机构1，因此能够抑制半导体元件5和引线电极9的温度上升，能够提高半导体装置50的寿命及温度特性。
另外，引线电极9包含铜，因此能够使在半导体元件5产生的热有效地扩散，促进了半导体装置50的品质稳定化。
另外，第1接合材料7a包含焊料或银，因此，第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d也包含焊料或银。因此，能够有效地进行向半导体元件5的上表面和下表面的热扩散及从引线电极9经由绝缘部件6向冷却机构1的热扩散，因此能够抑制半导体元件5和引线电极9的温度上升，提高半导体装置50的寿命及温度特性。
另外，引线电极9的截面积被设定为与半导体装置50的驱动时的半导体元件5的发热温度相比由引线电极9的导体电阻引起的发热温度小的大小。因此，半导体元件5的热传导至引线电极9，半导体元件5的温度下降。因此，半导体装置50的最大温度下降，促进了半导体装置50的寿命提高及动作稳定化。
另外，绝缘层3包含AlN、Al2O3或SiN。因此，通过采用导热率高的绝缘层作为绝缘层3，从而能够提高从电路图案4向金属图案2的散热性，因此能够抑制半导体装置50的温度上升，提高半导体装置50的寿命。
另外，绝缘层3包含具有大于或等于10W/m·K的导热率的树脂。因此，通过采用导热率高且抗变形能力强的树脂制的绝缘层作为绝缘层3，从而能够在热循环等中，在半导体装置50内的部件产生了微小变形时抑制裂纹的产生，因此，就半导体装置50而言，能够兼顾高散热和高可靠性这两者。
另外，半导体装置50还具有在绝缘层3的下表面设置的金属图案2，金属图案2包含铜。因此，通过采用导热率高的材料作为金属图案2，从而能够使半导体元件5的发热有效地扩散，提高半导体装置50的寿命。
另外，引线电极9的宽度不是恒定的，因此，通过使引线电极9的电路路径的宽度比其它部分大，从而能够使电流密度变小。由此，能够抑制由引线电极9的导体电阻引起的发热量，因此能够抑制半导体装置50的温度上升。
另外，半导体元件5是反向导通IGBT，因此能够使半导体元件5的面积变小，能够实现半导体装置50的小型化。反向导通IGBT与分别搭载IGBT芯片和二极管芯片的情况相比，由于始终处于通电状态，因此容易成为高温。但是，由于能够从半导体元件5的上表面经由引线电极9进行散热，因此能够抑制半导体装置50的温度上升，实现稳定动作。
另外，半导体元件5的半导体材料是SiC，因此能够抑制半导体元件5的发热，半导体装置50内的最大温度下降，由此能够提高半导体装置50的寿命。另外，就半导体装置50而言，能够削减所使用的电量，因此能够实现节能化。
＜实施方式2＞
接下来，对实施方式2涉及的半导体装置50A进行说明。图3是实施方式2涉及的半导体装置50A的概略剖视图。此外，在实施方式2中，对与在实施方式1中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同的标号而省略说明。
如图3所示，在实施方式2中，与实施方式1相比，引线电极9的形状不同。具体地说，在实施方式1中，引线电极9的接合有绝缘部件6的部位向下侧凹陷，但在实施方式2中，引线电极9遍布整个区域而形成为平板形状。
如上所述，就实施方式2涉及的半导体装置50A而言，引线电极9形成为平板形状。在实施方式1的情况下，由于弯折加工时的加工误差，有时对绝缘部件6施加应力，但如实施方式2的情况所示，引线电极9形成为平板形状，由此加工误差消失，因此能够抑制向绝缘部件6的应力。
＜实施方式2的变形例＞
接下来，对实施方式2的变形例进行说明。图4是实施方式2的变形例1涉及的半导体装置50A所具有的引线电极9的从上方进行观察时的概略俯视图。图5是实施方式2的变形例2涉及的半导体装置50A的概略剖视图。图6是表示实施方式2的变形例3涉及的半导体装置50A的结构的电路图。图7是表示实施方式2的变形例4涉及的半导体装置50A的结构的电路图。图8是实施方式2的变形例5涉及的半导体装置50A的概略剖视图。图9(a)是表示实施方式2的变形例6涉及的半导体装置50A所具有的引线电极9的一个例子的俯视图。图9(b)是表示实施方式2的变形例6涉及的半导体装置50A所具有的引线电极9的另一个例子的俯视图。
如图4所示，也可以在引线电极9的接合有半导体元件5的第1接合部位及引线电极9的接合有绝缘部件6的第2接合部位分别形成有直径比第1接合部位及第2接合部位小的贯穿孔9c、9d。在贯穿孔9c、9d分别配置第3接合材料7c及第4接合材料7d，因此，能够抑制第3接合材料7c及第4接合材料7d的向接合部位以外的扩展，抑制除需要连接的部位以外的导通。由此，能够提高半导体装置50A的可靠性。
另外，如图5所示，半导体装置50A也可以具有多个(例如2个)半导体元件5。由此，能够使可施加于半导体装置50A的电压和可通电的电流量增加，因此能够实现半导体装置50A的高输出化。
另外，如图6和图7所示，也可以是多个半导体元件5并排地配置。作为半导体元件5而采用将IGBT和FWD组合起来的结构。例如，在考虑了集电极1与发射极1之间的发热的情况下，如图6所示，与仅对IGBT1和FWD1进行驱动相比，如图7所示，通过对IGBT1、FWD1、IGBT2及FWD2进行驱动，从而能够使发热部位分散，因此能够抑制半导体装置50内的最大温度，能够实现半导体装置50的稳定动作。
另外，如图8所示，半导体装置50A也可以具有多个(例如2个)绝缘部件6。经由引线电极9和绝缘部件6而使半导体元件5的发热向冷却机构1散热，因此通过设置多个绝缘部件6，从而能够提高半导体装置50A的散热性及寿命。
另外，如图9(a)、(b)所示，也可以在引线电极9的贯穿孔9c、9d的外周部形成有与引线电极9的除贯穿孔9c、9d的外周部以外的区域相比表面更粗糙的粗糙化部11。
更具体而言，可以如图9(a)所示，沿引线电极9的下表面处的贯穿孔9c、9d的外周部而形成有圆环状的粗糙化部11，也可以如图9(b)所示，形成有将引线电极9的下表面处的贯穿孔9c、9d的外周部包含在内的矩形的粗糙化部11。
在位于绝缘部件6的上表面处的第4接合材料7d过度地浸润扩展的情况下，如果与位于绝缘部件6的下表面处的第2接合材料7b接触，则会丧失由绝缘部件6实现的绝缘性。通过在引线电极9的下表面处的贯穿孔9c、9d的外周部形成有粗糙化部11，从而能够抑制第4接合材料7d过度地浸润扩展，提高由绝缘部件6实现的绝缘性。
此外，关于实施方式2的变形例的内容，也能够与其它实施方式进行组合。
＜实施方式3＞
接下来，对实施方式3涉及的半导体装置50B进行说明。图10是实施方式3涉及的半导体装置50B的概略剖视图。此外，在实施方式3中，对与在实施方式1、2中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同的标号而省略说明。
如图10所示，在实施方式3中，半导体装置50B具有多个(例如2个)由金属图案2、绝缘层3及电路图案4构成的构造，半导体元件5和绝缘部件6与彼此不同的电路图案4的上表面接合。此外，也能够将实施方式3的构造与其它实施方式进行组合。
如上所述，实施方式3涉及的半导体装置50B具有多个电路图案4，半导体元件5和绝缘部件6与彼此不同的电路图案4的上表面接合。因此，向各电路图案4传导的热的干涉消失，因此能够提高半导体装置50B的散热性。
＜实施方式4＞
接下来，对实施方式4涉及的半导体装置50C进行说明。图11是实施方式4涉及的半导体装置50C的概略剖视图。此外，在实施方式4中，对与在实施方式1～3中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同的标号而省略说明。
如图11所示，在实施方式4中，绝缘部件6不与电路图案4的上表面接合，而是通过第2接合材料7b与冷却机构1的上表面接合。另外，引线电极9的内部连接部9a的接合有绝缘部件6的部位向下侧凹陷，引线电极9的除此以外的部位呈平板状。
如上所述，实施方式4涉及的半导体装置50C具有：冷却机构1；绝缘层3，其设置于冷却机构1的上侧；电路图案4，其设置于绝缘层3的上表面；半导体元件5，其通过第1接合材料7a与电路图案4的上表面接合；绝缘部件6，其通过第2接合材料7b与冷却机构1的上表面接合；以及引线电极9，其将半导体元件5与绝缘部件6连接，半导体元件5的上表面与引线电极9的下表面通过第3接合材料7c而接合，绝缘部件6的上表面与引线电极9的下表面通过第4接合材料7d而接合，第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d由相同的材质构成。
因此，不经由绝缘层3，就能够将半导体元件5的发热向冷却机构1直接散热，因此能够进一步抑制半导体装置50C的温度上升。
＜实施方式5＞
接下来，对实施方式5涉及的半导体装置50D进行说明。图12是实施方式5涉及的半导体装置50D的概略剖视图。此外，在实施方式5中，对与在实施方式1～4中说明过的结构要素相同的结构要素标注相同的标号而省略说明。
如图12所示，在实施方式5中，除了实施方式2的构造以外，在引线电极9的上侧还设置有电路图案24、绝缘层23、金属图案22及冷却机构21。
引线电极9的接合有半导体元件5和绝缘部件6的部位的上表面分别通过第5接合材料7e和第6接合材料7f与电路图案24的下表面接合。第5接合材料7e及第6接合材料7f由与第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c及第4接合材料7d相同的材质构成。
如上所述，实施方式5涉及的半导体装置50D还具有与绝缘层3不同的另外的绝缘层23和在另外的绝缘层23的下表面设置的与电路图案4不同的另外的电路图案24，另外的电路图案24设置于引线电极9的上侧，引线电极9的接合有半导体元件5和绝缘部件6的部位的上表面分别通过第5接合材料7e和第6接合材料7f与另外的电路图案24接合，第1接合材料7a、第2接合材料7b、第3接合材料7c、第4接合材料7d、第5接合材料7e及第6接合材料7f由相同的材质构成。
因此，半导体元件5的发热还经由引线电极9向引线电极9的上侧扩散，因此能够进一步提高半导体装置50D的散热性。由此，能够进一步抑制半导体装置50D的温度上升，因此能够提高半导体装置50D的寿命。
＜实施方式6＞
本实施方式是将上述的实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D应用于电力转换装置。实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D的应用不限定于特定的电力转换装置，但以下，作为实施方式6，对将实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D应用于三相逆变器的情况进行说明。
图13是表示电力转换系统的结构的框图，在该电力转换系统中应用了实施方式6涉及的电力转换装置200。
图13所示的电力转换系统由电源100、电力转换装置200、负载300构成。电源100是直流电源，向电力转换装置200供给直流电力。电源100能够由各种电源构成，例如，能够由直流系统、太阳能电池、蓄电池构成，也可以由与交流系统连接的整流电路、AC/DC转换器构成。另外，也可以使电源100由将从直流系统输出的直流电力转换为规定的电力的DC/DC转换器构成。
电力转换装置200是连接在电源100与负载300之间的三相逆变器，将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，向负载300供给交流电力。电力转换装置200如图13所示，具有：主转换电路201，其将直流电力转换为交流电力而输出；驱动电路202，其输出对主转换电路201的各开关元件进行驱动的驱动信号；以及控制电路203，其将对驱动电路202进行控制的控制信号向驱动电路202输出。
负载300是由从电力转换装置200供给的交流电力进行驱动的三相电动机。此外，负载300不限定于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如，用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯或空调设备的电动机。
以下，对电力转换装置200的详情进行说明。主转换电路201具有开关元件和续流二极管(未图示)，通过开关元件的通断，从而将从电源100供给的直流电力转换为交流电力，向负载300供给。主转换电路201的具体的电路结构存在各种结构，但本实施方式涉及的主转换电路201是两电平的三相全桥电路，能够由6个开关元件和与各个开关元件逆并联的6个续流二极管构成。对主转换电路201的各开关元件应用上述实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D。6个开关元件两个两个地串联连接而构成上下桥臂，各上下桥臂构成全桥电路的各相(U相、V相、W相)。并且，各上下桥臂的输出端子即主转换电路201的3个输出端子与负载300连接。
驱动电路202生成对主转换电路201的开关元件进行驱动的驱动信号，供给至主转换电路201的开关元件的控制电极。具体地说，按照来自后述的控制电路203的控制信号，向各开关元件的控制电极输出将开关元件设为接通状态的驱动信号和将开关元件设为断开状态的驱动信号。在将开关元件维持为接通状态的情况下，驱动信号是大于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(接通信号)，在将开关元件维持为断开状态的情况下，驱动信号成为小于或等于开关元件的阈值电压的电压信号(断开信号)。
控制电路203对主转换电路201的开关元件进行控制，以向负载300供给所期望的电力。具体地说，基于应向负载300供给的电力，对主转换电路201的各开关元件应成为接通状态的时间(接通时间)进行计算。例如，能够通过与应输出的电压相对应地对开关元件的接通时间进行调制的PWM控制，对主转换电路201进行控制。并且，向驱动电路202输出控制指令(控制信号)，以在各时刻向应成为接通状态的开关元件输出接通信号，向应成为断开状态的开关元件输出断开信号。驱动电路202按照该控制信号，将接通信号或者断开信号作为驱动信号而向各开关元件的控制电极输出。
就本实施方式涉及的电力转换装置200而言，作为主转换电路201的开关元件而应用实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D，因此能够缓和向在绝缘部件6的下侧配置的绝缘层3的应力，提高半导体装置50～50D的可靠性。由此，能够提高电力转换装置200的可靠性。
在本实施方式中，对在两电平的三相逆变器中应用实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D的例子进行了说明，但实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D的应用不限于此，能够应用于各种电力转换装置。在本实施方式中，设为两电平的电力转换装置，但也可以是三电平或多电平的电力转换装置，在向单相负载供给电力的情况下，也可以向单相逆变器应用实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D。另外，在向直流负载等供给电力的情况下，也能够向DC/DC转换器、AC/DC转换器应用实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D。
另外，应用了实施方式1～5涉及的半导体装置50～50D的电力转换装置不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，还能够用作放电加工机、激光加工机、感应加热烹调器或非接触供电系统的电源装置，并且也能够用作太阳能发电系统、蓄电系统等的功率调节器。
此外，能够对各实施方式自由地进行组合，或对各实施方式适当地进行变形、省略。
标号的说明
1冷却机构，2金属图案，3绝缘层，4电路图案，5半导体元件，6绝缘部件，7a第1接合材料，7b第2接合材料，7c第3接合材料，7d第4接合材料，7e第5接合材料，7f第6接合材料，9引线电极，9b外部连接部，9c、9d贯穿孔，10封装树脂，11粗糙化部，23绝缘层，24电路图案，50、50A、50B、50C、50D半导体装置，200电力转换装置，201主转换电路，203控制电路。

Claims (23)

1.一种半导体装置，其具有：
绝缘层；
电路图案，其设置于所述绝缘层的上表面；
半导体元件，其通过第1接合材料与所述电路图案的上表面接合；
绝缘部件，其通过第2接合材料与所述电路图案的上表面接合；以及
引线电极，其将所述半导体元件与所述绝缘部件连接，
所述半导体元件的上表面与所述引线电极的下表面通过第3接合材料而接合，
所述绝缘部件的上表面与所述引线电极的下表面通过第4接合材料而接合，
所述第1接合材料、所述第2接合材料、所述第3接合材料及所述第4接合材料由相同的材质构成。
2.一种半导体装置，其具有：
冷却机构；
绝缘层，其设置于所述冷却机构的上侧；
电路图案，其设置于所述绝缘层的上表面；
半导体元件，其通过第1接合材料与所述电路图案的上表面接合；
绝缘部件，其通过第2接合材料与所述冷却机构的上表面接合；以及
引线电极，其将所述半导体元件与所述绝缘部件连接，
所述半导体元件的上表面与所述引线电极的下表面通过第3接合材料而接合，
所述绝缘部件的上表面与所述引线电极的下表面通过第4接合材料而接合，
所述第1接合材料、所述第2接合材料、所述第3接合材料及所述第4接合材料由相同的材质构成。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，还具有：
与所述绝缘层不同的另外的绝缘层；以及
与所述电路图案不同的另外的电路图案，其设置于所述另外的绝缘层的下表面，
所述另外的电路图案设置于所述引线电极的上侧，
所述引线电极的接合有所述半导体元件和所述绝缘部件的部位的上表面分别通过第5接合材料和第6接合材料与所述另外的电路图案接合，
所述第1接合材料、所述第2接合材料、所述第3接合材料、所述第4接合材料、所述第5接合材料及所述第6接合材料由相同的材质构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体装置，其中，
所述引线电极具有能够与外部装置连接的外部连接部，
所述绝缘部件位于所述引线电极的接合有所述半导体元件的部位与所述外部连接部之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体装置，其中，
还具有封装树脂，该封装树脂将所述引线电极的一部分、所述半导体元件和所述绝缘部件封装，
所述封装树脂包含环氧树脂或凝胶。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其中，
所述绝缘部件包含具有氧化膜的Si、AlN、Al2O3、SiN或导热率比所述封装树脂高的树脂。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的半导体装置，其中，
所述引线电极包含铜。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体装置，其中，
所述第1接合材料包含焊料或银。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体装置，其中，
所述引线电极的截面积被设定为与所述半导体装置的驱动时的所述半导体元件的发热温度相比由所述引线电极的导体电阻引起的发热温度小的大小。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的半导体装置，其中，
所述绝缘层包含AlN、Al2O3或SiN。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的半导体装置，其中，
所述绝缘层包含具有大于或等于10W/m·K的导热率的树脂。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的半导体装置，其中，
还具有金属图案，该金属图案设置于所述绝缘层的下表面，
所述金属图案包含铜。
13.根据权利要求1或3所述的半导体装置，其中，
所述引线电极形成为平板形状。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的半导体装置，其中，
在所述引线电极的接合有所述半导体元件的第1接合部位及所述引线电极的接合有所述绝缘部件的第2接合部位形成有直径比所述第1接合部位及所述第2接合部位小的贯穿孔。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的半导体装置，其中，
具有多个所述半导体元件。
16.根据权利要求15所述的半导体装置，其中，
多个所述半导体元件并排地配置。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的半导体装置，其中，
具有多个所述绝缘部件。
18.根据权利要求14所述的半导体装置，其中，
在所述引线电极的所述贯穿孔的外周部形成有与所述引线电极的除所述贯穿孔的所述外周部以外的区域相比表面更加粗糙的粗糙化部。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的半导体装置，其中，
具有多个所述电路图案，
所述半导体元件以及所述绝缘部件与彼此不同的所述电路图案的上表面接合。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的半导体装置，其中，
所述引线电极的宽度不是恒定的。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的半导体装置，其中，
所述半导体元件是反向导通IGBT。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的半导体装置，其中，
所述半导体元件的半导体材料是SiC。
23.一种电力转换装置，其具有：
主转换电路，其具有权利要求1至22中任一项所述的半导体装置，该主转换电路对输入进来的电力进行转换而输出；以及
控制电路，其将对所述主转换电路进行控制的控制信号输出至所述主转换电路。
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