JP2004047883A - 電力半導体装置 - Google Patents

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Yoshihisa Honda
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Abstract

【課題】高温側から低温側への伝熱を抑制した、電力半導体素子を備える電力半導体装置を提供する。
【解決手段】電力半導体装置10は、炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子1、2が搭載されたユニット7と、ユニットのパッケージ部8より熱伝導率が低い材質からなり、ユニットを被う外側パッケージ9とを備える。また、別の電力半導体装置20としては、炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子1、2が搭載された第1ユニット26と、シリコンを基体として用いる半導体素子12a、12bが搭載され、第1ユニットと電気的に接続された第2ユニット28とを備える。さらに、第1ユニットと前記第2ユニットとの間に挟み込まれた断熱部材18を備える。
【選択図】    図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子を搭載する電力半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電力半導体装置は、一般的にパワーモジュールとも称されている。このパワーモジュールを構成する電力半導体素子として、シリコンSiを基体として用いたパワーMOS FET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオード等の半導体素子が用いられている。例えば、従来の電力半導体装置50は、図11に示すように、金属製の放熱ベース板65の上に、回路パターン付セラミック基板63が配置されている。さらに、該回路パターン付セラミック基板63の上にシリコンを基体とする電力半導体素子51、52が半田及びアルミワイヤ66で接続されて回路を構成する。また、素子51、52は、コレクタ電極53、エミッタ電極54、制御信号端子72、エミッタ信号端子74等の外部端子と接続されている。また、この電力半導体装置は、素子51、52及び回路を保護するためにケース60とフタ61とで構成される筐体内をゲル62で充填されている。即ち、この電力半導体装置50では、シリコンを基体とする電力半導体素子51、52は、半田及びアルミワイヤ66で接続されて回路を構成している。
【0003】
半導体素子として、シリコンに代えて炭化シリコン(SiC)を基体として用いた半導体素子が実用化されている。この炭化シリコンを基体として用いた半導体素子は、動作保証温度は150℃以上であって、およそ300℃程度までの高温で動作させることができるという特徴がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
電力半導体装置では、上述したようにIGBTやフライホイールダイオード等の各素子と回路パターン間を半田で接続している。このため、150℃以上の高温、さらに300℃程度まで高温動作させた場合には、素子間の半田が融けてしまう。停止時には半田が凝固し、高温での動作と停止を繰り返すと、半田の溶融、凝固という現象を繰り返すため接合部の信頼性を失ってしまう。一方、素子のエミッタ部及びゲート部では、アルミワイヤボンディングで接続されている。ワイヤボンディングの場合、高温動作時と停止時において、ワイヤと素子との接合部での温度差が大きくなり、ワイヤに過大な応力が生じる。また、素子とアルミワイヤとの熱膨張率差による熱応力が生じるため、接合部の信頼性が低下する。さらに、従来のパッケージ構造では、放熱ベース板65が約300℃という高温になり、その伝熱で電力半導体装置全体が高温になる。そのため、電力半導体装置がインバータに組み込まれた場合、インバータを構成する周辺部品もまた高温にさらされるため、インバータ全体の寿命が短くなる。
【0005】
また、電力半導体装置には、最近、パワーボードとも呼ばれる電力用プリント基板が用いられている。搭載される電力半導体素子が高温になると、接合部からの伝熱によって電力用プリント基板も高温にさらされる。電力用プリント基板は高温には弱いので、電力半導体素子とプリント基板との接合部の高温化を避ける必要がある。また、高温側から低温側への伝熱を抑制する必要がある。
【0006】
そこで、本発明の目的は、高温側から低温側への伝熱を抑制した、炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子を搭載した電力半導体装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力半導体装置は、炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子が搭載されたユニットと、
前記ユニットのパッケージ部より熱伝導率が低い材質からなり、前記ユニットを被う外側パッケージと
を備えることを特徴とする。
【0008】
本発明に係る電力半導体装置は、炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子が搭載された第1ユニットと、
シリコンを基体として用いる半導体素子が搭載され、前記第1ユニットと電気的に接続された第2ユニットと
を備えることを特徴とする。
【0009】
また、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記第1ユニットと前記第2ユニットとの間に挟み込まれた断熱部材をさらに備えることを特徴とする。
【0010】
さらに、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、断熱部材を介して前記第2ユニットの内部に前記第1ユニットを包み込んでいることを特徴とする。
【0011】
またさらに、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記断熱部材は、前記第1及び第2ユニットの間に充填されたモールド樹脂からなることを特徴とする。
【0012】
また、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記第1ユニットから前記第2ユニットに伝熱する熱を吸収する熱バッファ部を備えることを特徴とする。
【0013】
さらに、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記第2ユニットから外部へ放熱させる放熱部を備え、
前記第1ユニットと前記放熱部との間に低熱伝導部を備えることを特徴とする。
【0014】
またさらに、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記第1及び第2ユニットとに共通する電極を備え、前記電極は、部分的に拡幅された部分を有することを特徴とする。
【0015】
また、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子は、圧接構造で前記第1ユニットに搭載されていることを特徴とする。
【0016】
さらに、本発明に係る電力半導体装置は、前記電力半導体装置であって、前記炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子は、ダイオード又はトランジスタであることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る電力半導体装置について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【0018】
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る電力半導体装置について、図1を用いて説明する。図1は、この電力半導体装置10の(a)平面図、(b)正面図、(c)側面図からなる。この電力半導体装置10は、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子1、2を搭載するユニット7と、該ユニット内に充填された樹脂24と、熱伝導率が該ユニット7のパッケージ部8より低い外側パッケージ部9とを備えている。外側パッケージ部9が低熱伝導率の材料からなるため、外側パッケージ部9の表面温度を低くすることができる。また、全体として小型の電力半導体装置10を提供できる。なお、上記ユニット7内に充填された樹脂24は、熱伝導率が上記外側パッケージ9より低い。また、上記炭化シリコンを基体とする電力半導体素子1、2は、動作保証温度が150℃以上であり、約150℃以上の高温での動作も可能であるので、ユニット7は、約150℃以上で動作させることができる。さらに、このユニット7は、外側パッケージ部8の内部に包み込まれている。外側パッケージ部9は、断熱部材によってユニット7と断熱されている。これによって、高温のユニット7から外側パッケージ部9への伝熱を抑制できる。なお、この外側パッケージ部8として、例えば、熱伝導率が10W/(m・K)以下、さらに好ましくは2W/(m・K)以下の低熱伝導性の材料を用いることができる。この断熱部材としては、例えば、エポキシ樹脂等のモールド樹脂を用いることができる。
【0019】
次に、この電力半導体装置で使用する炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子1、2について説明する。この炭化シリコンを基体とする電力半導体素子1、2は、150℃以上、さらに300℃程度での高温動作においても損失が大きくならないという特徴を有している。そこで、チップサイズを小さくして素子自体の発熱によって高温となった場合でも損失を大きくすることなく高温動作させることができる。なお、シリコンを基体とする半導体素子は、通常、125℃以下の動作が保証されている。その動作保証温度は最大150℃とされている。150℃以上の高温で動作させた場合には、半導体素子での電力損失の増加が著しい。なお、通常の半導体素子では、チップサイズを大きくしておき、発熱した場合にも高温にならないようにしている。
【0020】
ここで、電力半導体素子のサイズと発熱との関係について説明する。電力半導体素子1、2は、大電流、高電圧で動作させるため素子自体による発熱が大きく、裏面側で放熱系に接続されている。電力半導体素子1、2から放熱系への熱回路を考えた場合、伝熱の容易さを示す熱抵抗の大小によって素子自体の温度が決定される。伝熱方向は、素子の裏面から面の法線方向に沿った縦方向と、面に平行な横方向がある。縦方向の伝熱は、素子裏面から放熱系までの構成部材の材質や厚さ等に依存する。また、横方向の伝熱は、各構成部材の熱拡散面積、即ち、素子のサイズ等に依存する。従って素子の面積が小さいほど伝熱しにくくなるため高温になりやすい。
【0021】
また、この電力半導体装置における電力半導体素子1、2の接続部について説明する。この電力半導体素子1、2は、圧接構造でユニット7に搭載されている。圧接構造では接続部に半田を用いないので、150℃以上、さらに300℃以上で高温動作させた場合にも、接続部で半田の溶融等は生じない。例えば、ユニット7をトランスファモールド法で形成する場合には、モールド成形時の金型圧力を利用して圧力を印加した状態でモールドを行うことによって電力半導体素子1、2の圧接構造を実現することができる。なお、電力半導体素子の電気的接続の方法は、上記圧接構造に限られず、動作温度での耐熱性を確保できれば他の接続方法を用いてもよい。例えば、銀ろう、金ろう等の硬質はんだ(硬ろう)による接続を行ってもよい。また、補助的に皿バネを用いてもよい。さらに、素子の両面に薄いリボン状の電極を超音波接合してもよい。この他、上下をネジで締め付ける構造を用いてもよい。
【0022】
またさらに、電極3、4の構造について説明する。コレクタ電極3は、図1の(a)に示すように、高温のユニット7側から外部機器への接合部への途中において電極の幅が部分的に拡張されている。なお、エミッタ電極4は図示していないが、コレクタ電極3と同様の構造を用いることができる。これによって高温のユニット7から低温の外側パッケージ9、さらには外部機器との接続部にかけて伝わる熱を拡張部分で放熱し、低温側への伝熱を抑制することができる。このコレクタ電極3、エミッタ電極4等には、通常、電気伝導度の大きい銅材が使用される。
【0023】
また、この電力半導体装置10では、モールド樹脂の絶縁では経時劣化が考えられるので、セラミック基板6を用いて一定の絶縁耐量を確保している。
【0024】
次に、この電力半導体装置10の製造方法について説明する。この電力半導体装置10は、次の手順で作製される。
(a)ユニット7内に樹脂24を充填する。この時、同時にユニット7に炭化シリコンを基体とする電力半導体素子1、2を圧接構造で配置する。トランスファモールド法を用いる場合、モールド成形の金型圧力を利用して圧力を印加した状態でモールド成形を行うことによって、電力半導体素子1、2の圧接構造を実現することができる。
(b)外側パッケージ9でユニット7を包み込むようにモールド成形を行う。この場合、外側パッケージ9には、ユニット7のパッケージ部8より熱伝導率が低い樹脂を用いる。低熱伝導性であって、耐熱性のある樹脂でモールド成形することにより、ユニット7を被う外側パッケージ9の樹脂厚さを薄くすることができる。
以上の手順によって作製された電力半導体装置10では、ユニット7と外側パッケージ9との間を断熱的に接続することができる。これによって、ユニット7から外側パッケージ9への伝熱を抑制することができる。
【0025】
実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る電力半導体装置について、図2を用いて説明する。図2は、この電力半導体装置10aの(a)平面図、(b)正面図、(c)側面図からなる。この電力半導体装置10aは、実施の形態1に係る電力半導体装置と比較すると、図2の(b)、(c)に示すように、ユニット7を覆う外側パッケージ9の内部に熱容量の大きい熱バッファプレート11を設けた点で相違する。この熱バッファプレート11はユニット7から外側パッケージ9へ伝熱する熱を吸収する。これによって、熱バッファプレート11を用いない場合に比べて、外側パッケージ9の熱抵抗を大きくできるので、ユニット7の炭化シリコン・トランジスタ1、炭化シリコン・ダイオード2の動作によって発生した熱を外部に伝達しにくくすることができる。また、この熱バッファプレート11を用いることによって熱をプールでき、外部への伝熱を抑制することができる。例えば、第2ユニット8の内部温度が100℃の場合、熱バッファプレートを用いない場合には外部表面温度が約80℃である。一方、熱バッファプレート11を用いた場合には、外部表面温度を約60℃程度に低減させることができる。なお、この熱バッファプレート11には、例えば、銀、銅等の金属の他、アルミナ等のセラミック等を用いることができる。
【0026】
実施の形態3.
本発明の実施の形態3に係る電力半導体装置について、図3から図6を用いて説明する。図3は、この電力半導体装置20の(a)平面図、(b)正面図からなる。この電力半導体装置20は、実施の形態1に係る電力半導体装置と比較すると、図3に示すように、第1ユニット26と第2ユニット28とを並列して配置している点で相違する。即ち、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子2を含む高温動作部の第1ユニット26と、シリコンを基体とする半導体素子12a、12bを含む低温動作部である第2ユニット28とを断熱的に接続している。これによって高温動作する第1ユニット26から低温動作する第2ユニット28への伝熱を抑制することができる。なお、放熱ベース板15は、第2ユニット28から外部へ放熱させる役割を担っている。
【0027】
図4は、コレクタ電極3の配置を示す斜視図であり、図5は、エミッタ電極4の配置を示す斜視図である。コレクタ電極3の第1ユニット26側には炭化シリコンを基体とする電力半導体素子2が設けられ、第2ユニット28側にはシリコンを基体とする半導体素子12a、12bが設けられている。エミッタ電極4は、第1ユニット26側で櫛型形状の端子を有し、第2ユニット28側でアルミワイヤ16によるワイヤボンディング用の端子を有する。
【0028】
また、別の態様の電力半導体装置は、図6の(a)に示すように、第1及び第2ユニットとの間に充填されたモールド樹脂からなる断熱部18を備える。このモールド樹脂からなる断熱部18によって、高温動作する第1ユニット26から低温動作する第2ユニット28への伝熱を抑制することができる。この断熱部18は、第1ユニット26からの熱の蓄積と放散との役割を担っており、第2ユニット28への伝熱を抑制することができる。
【0029】
さらに別の態様の電力半導体装置では、図6の(b)に示すように、第1ユニット26と放熱ベース板15との間で低熱伝導性材料を充填した低熱伝導部19を備える。この放熱ベース板15は、第2ユニット28から放熱させる役割を担っている。また、この低熱伝導性の材料の熱伝導率は、10W/(m・K)以下、さらに好ましくは2W/(m・K)以下である。低熱伝導性の材料としては、例えば、エポキシ樹脂等を用いることができる。この低熱伝導部19によって、第1ユニット26から放熱ベース板15を介して第2ユニット28への伝熱を抑制することができる。
【0030】
実施の形態4.
本発明の実施の形態4に係る電力半導体装置について、図7を用いて説明する。この電力半導体装置20aは、実施の形態3に係る電力半導体装置と比較すると、図7に示すように、第2ユニット28側でシリコンを基体とする半導体素子としてシリコン・トランジスタ12aのみを搭載する点で相違する。この他、種々の素子の組み合わせを搭載してもよい。
【0031】
実施の形態5.
本発明の実施の形態5に係る電力半導体装置について、図8を用いて説明する。この電力半導体装置20bは、実施の形態4に係る電力半導体装置と比較すると、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子とシリコンを基体とする半導体素子とのハイブリッド構成において、第1ユニット26側に炭化シリコン・トランジスタ1を搭載し、第2ユニット28側にシリコン・ダイオード12bを搭載している点で相違する。炭化シリコン・トランジスタ1を用いることでシリコン・トランジスタに比べてチップサイズを小さくできるので、電力半導体装置を小型化することができる。
【0032】
実施の形態6.
本発明の実施の形態6に係る電力半導体装置について、図9を用いて説明する。この電力半導体装置30は、実施の形態3に係る電力半導体装置と比較すると、図9に示すように、電力半導体素子等のパワーデバイスを制御するためのIC等の機能デバイスを搭載した点で相違する。これにより従来のインテリジェントパワーモジュールの技術を有効に活用してシリコンを基体とする半導体素子と炭化シリコンを基体とする電力半導体素子のハイブリッドモジュールを実現することができる。
【0033】
実施の形態7.
本発明の実施の形態7に係る電力半導体装置について、図10を用いて説明する。この電力半導体装置30aは、実施の形態6に係る電力半導体装置と比較すると、図10に示すように、電力半導体素子等のパワーデバイスを制御するためのICに他の部品を搭載するプリント基板23を内蔵する点で相違する。このプリント基板23を追加、変更することで様々な機能追加を容易に行うことができる。
【0034】
【発明の効果】
本発明に係る電力半導体装置によれば、炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子が搭載されたユニットと、該ユニットのパッケージ部より熱伝導率が低い材質からなり、該ユニットを被う外側パッケージ部とを備える。この外側パッケージ部は低熱伝導率の材料からなるため、外側パッケージ部の表面温度を低くすることができる。また、全体として小型の電力半導体装置を提供できる。
【0035】
本発明に係る電力半導体装置によれば、炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子が搭載された第1ユニットと、シリコンを基体として用いる半導体素子が搭載され、第1ユニットと電気的に接続されている第2ユニットとを備える。炭化シリコンを基体とする電力半導体素子は高温で動作可能であるため、高温動作可能な第1ユニットと、低温で動作させる第2ユニットとを複合させることができる。これによって炭化シリコンを基体とする電力半導体素子の寿命を向上させることができる。
【0036】
また、本発明に係る電力半導体装置によれば、第1ユニットと第2ユニットとの間に挟み込まれた断熱部材をさらに備える。これによって、第1及び第2ユニットとを断熱的に接続することができ、高温動作する第1ユニットから低温動作する第2ユニットへの伝熱を抑制できる。そこで、第2ユニットの過昇温を防止することができる。
【0037】
さらに、本発明に係る電力半導体装置によれば、第2ユニットは、その内部に第1ユニットを断熱部材で覆って包み込んでいる。これによって、高温の第1ユニットから第2ユニットへの伝熱を抑制できる。
【0038】
またさらに、前記断熱部材は、第1及び第2ユニットの間にわたって充填されたモールド樹脂からなる。これにより第1ユニットから第2ユニットへの伝熱を抑制できる。
【0039】
また、本発明に係る電力半導体装置によれば、第1ユニットから第2ユニットへの伝熱を吸収する熱バッファ部を備える。この熱バッファ部を備えることで第2ユニットは熱容量が大きくなり、熱抵抗が高くなるので、第1ユニットからの伝熱によっても第2ユニットにおける過昇温を抑制できる。
【0040】
さらに、本発明に係る電力半導体装置によれば、第2ユニットから外部へ放熱させる放熱部を備え、第1ユニットと該放熱部との間に低熱伝導部を備える。これによって第1ユニットから放熱部を介して第2ユニットへの伝熱を抑制することができる。
【0041】
またさらに、本発明に係る電力半導体装置によれば、第1及び第2ユニットとに共通する電極を備え、前記電極は、部分的に拡幅された部分を有する。これによって、電極の拡幅部分から放熱することができ、第1ユニットから第2ユニットへの伝熱を抑制できる。
【0042】
また、本発明に係る電力半導体装置によれば、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子は、圧接構造で第1ユニットに搭載されている。これによって高温動作させた場合にも接続部に半田を用いていないので半田の溶融が起きないので、信頼性の劣化を防止できる。
【0043】
さらに、本発明に係る電力半導体装置によれば、炭化シリコンを基体とする電力半導体素子として、ダイオード、トランジスタ等を用いることができる。これによって種々の素子の組み合わせを搭載できる。また、炭化シリコン・トランジスタの場合には、シリコン・トランジスタに比べてチップサイズを小さくすることができ、電力半導体装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明の実施の形態1に係る電力半導体装置の平面図であり、(b)は正面図であり、(c)は側面図である。
【図2】(a)は、本発明の実施の形態2に係る電力半導体装置の平面図であり、(b)は正面図であり、(c)は側面図である。
【図3】(a)は、本発明の実施の形態3に係る電力半導体装置の平面図であり、(b)は正面図である。
【図4】図3のコレクタ電極の配置を示す斜視図である。
【図5】図3の電力半導体装置のエミッタ電極の配置を示す斜視図である。
【図6】(a)は、本発明の実施の形態3に係る電力半導体装置において、第1ユニットと第2ユニットとの間の断熱的な接続を示す平面図であり、(b)は正面図である。
【図7】(a)は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体装置の平面図であり、(b)は正面図である。
【図8】(a)は、本発明の実施の形態5に係る電力用半導体装置の平面図であり、(b)は正面図である。
【図9】(a)は、本発明の実施の形態6に係る電力用半導体装置の平面図であり、(b)は正面図である。
【図10】(a)は、本発明の実施の形態7に係る電力用半導体装置の平面図であり、(b)は正面図である。
【図11】(a)は、従来の電力用半導体装置の平面図であり、(b)は正面図である。
【符号の説明】
1 SiCトランジスタ、2 SiCダイオード、3、3a、3b コレクタ電極、4、4a、4b エミッタ電極、5 ゲート電極、6 セラミック基板、7ユニット、8 パッケージ部、9 外側パッケージ部、10、10a、20、20a、20b、30、30a 電力用半導体装置、11 熱バッファプレート、12a Siトランジスタ、12b Siダイオード、13 パターン付セラミック基板、14 半田、15 放熱ベース板、16 アルミワイヤ、17 第2半田、18 断熱部、19 低熱伝導部、21 制御素子、22 制御信号端子、23 プリント基板、24 樹脂、26 第1ユニット、28 第2ユニット、50 電力半導体装置、51 Siトランジスタ、52 Siダイオード、53 コレクタ電極、54 エミッタ電極、60 ケース、61 フタ、62 ゲル、63 パターン付セラミック基板、64 半田、65 放熱ベース板、66 アルミワイヤ、72 制御信号端子、74 エミッタ信号端子

Claims (10)

  1. 炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子が搭載されたユニットと、
    前記ユニットのパッケージ部より熱伝導率が低い材質からなり、前記ユニットを被う外側パッケージと
    を備えることを特徴とする電力半導体装置。
  2. 炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子が搭載された第1ユニットと、
    シリコンを基体として用いる半導体素子が搭載され、前記第1ユニットと電気的に接続された第2ユニットと
    を備えることを特徴とする電力半導体装置。
  3. 前記第1ユニットと前記第2ユニットとの間に挟み込まれた断熱部材をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の電力半導体装置。
  4. 前記第2ユニットの内部に断熱部材を介して前記第1ユニットを包み込んでいることを特徴とする請求項2に記載の電力半導体装置。
  5. 前記断熱部材は、前記第1及び第2ユニットの間に充填されたモールド樹脂からなることを特徴とする請求項4に記載の電力半導体装置。
  6. 前記第1ユニットから前記第2ユニットに伝熱する熱を吸収する熱バッファ部を備えることを特徴とする請求項2に記載の電力半導体装置。
  7. 前記第2ユニットから外部へ放熱させる放熱部を備え、
    前記第1ユニットと前記放熱部との間に低熱伝導部を備えることを特徴とする請求項2に記載の電力半導体装置。
  8. 前記第1及び第2ユニットとに共通する電極を備え、前記電極は、部分的に拡幅された部分を有することを特徴とする請求項2に記載の電力半導体装置。
  9. 前記炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子は、圧接構造で前記第1ユニットに搭載されていることを特徴とする請求項2に記載の電力半導体装置。
  10. 前記炭化シリコンを基体として用いる電力半導体素子は、ダイオード又はトランジスタであることを特徴とする請求項2に記載の電力半導体装置。
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