JP2014093411A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化、信頼性の向上を図ることができるとともに、密に並べて設置することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、半導体装置は、第１導電体と、第２導電体と、第１導電体と第２導電体との間に接合された第１半導体素子および第２半導体素子と、第１電力端子４６ａと、第２電力端子４６ｂと、信号端子５０と、これらの構成部材を覆う直方体形状の絶縁体５２と、を備えている。絶縁体は、第１および第２導電体が露出する平坦な底面と、底面に対して垂直に延びる平坦な第１側面５２ａと、底面に対して垂直に延び第１側面と平行に対向する第２側面５２ｂと、天井面５２ｄと、第１端面５２ｅと、第２端面５２ｅと、を有する。第１電力端子は、第１端面から外方に延出し、第２電力端子は第２端面から外方に延出し、信号端子は天井面から外方に延出し、絶縁体の第１端面、天井面、および第２端面に亘って、パーティングライン５４が形成されている。
【選択図】図４

Description

この発明の実施形態は、半導体電力変換装置に用いる半導体装置に関する。
近年、自動車の燃費向上を目的とし、内燃機関とモーターを併用したハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。また一方で、モーターだけで走行可能な電気自動車の製品化も進んでいる。これら自動車を実現するためには、電池とモーター間に、直流電力から交流電力への変換および交流電力から直流電力への変換を行なう電力変換装置が必要となる。
ハイブリッド車および電気自動車では、半導体電力変換装置の小型化、高信頼性が要求されている。半導体電力変換装置の小型化、高信頼性を図るためには、冷却効率が良い半導体電力変換装置が必要となる。これを実現する方法としては、半導体素子の表裏面に導電体を接続し、導電体から冷却器へ放熱させる両面放熱型の電力変換装置構造が提案されている。
特開２００３−２５８１６６号公報 特開２００７−０６８３０２号公報
半導体電力変換装置においては、半導体装置（半導体モジュール）を複数個並べて使用する必要がある。自動車の車軸の駆動に電気を用いる場合、高電圧かつ大電流となるため半導体装置の発熱が大きくなり、端子間の電気絶縁も考慮する必要がある。このことから、半導体装置の実装密度を高めることが困難となっている。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、小型化、信頼性の向上を図ることができるとともに、密に並べて設置することが可能な半導体装置を提供することにある。
実施形態によれば、半導体装置は、第１接合面および第１接合面と直交する第１底面を有する直方体形状の第１導電体と、前記第１接合面と対向する第２接合面および第２接合面と直交し前記第１底面と同一平面に位置する第２底面を有する直方体形状の第２導電体と、前記第１導電体と第２導電体との間に配置され、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接続された板状の第１半導体素子と、前記第１導電体と第２導電体との間に配置され、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接続された板状の第２半導体素子と、前記第１接合面に接合された基端部を有し、前記第１導電体から外側に延出する第１電力端子と、前記第２接合面から前記第２導電体の外側に延出する第２電力端子と、前記第１半導体素子に接続された信号端子と、前記第１電力端子の基端部、第２電力端子の基端部、信号端子の基端部、並びに、前記第１および第２導電体を覆う直方体形状の絶縁体と、を備え、
前記絶縁体は、前記第１および第２半導体素子に対して垂直に延びているとともに前記第１導電体の第１底面および第２導電体の第２底面が露出した平坦な底面と、前記底面に対して垂直に延びる平坦な第１側面と、前記底面に対して垂直に延びているとともに前記第１側面と平行に対向する第２側面と、前記第１側面および第２側面間に位置し前記底面と対向する天井面と、前記底面および第１、第２側面の一端と交差して延びる第１端面と、前記底面および第１、第２側面の他端と交差して延びる第２端面と、を有し、前記第１電力端子は、前記第１端面から外方に延出し、前記第２電力端子は前記第２端面から外方に延出し、前記信号端子は前記天井面から外方に延出し、前記絶縁体の前記第１端面、天井面、および第２端面に亘って、パーティングラインが形成されていることを特徴としている。
図１は、第１の実施形態に係る半導体電力変換装置を制御回路基板を取り外して示す斜視図。 図２は、前記半導体電力変換装置の支持フレームおよび冷却器を示す斜視図。 図３は、制御回路基板を含む半導体電力変換装置全体を示す斜視図。 図４は、前記半導体電力変換装置の半導体モジュール（半導体装置）を示す斜視図。 図５は、前記半導体モジュールを底面側から見た斜視図。 図６は、前記半導体モジュールのモールド樹脂体を透視して内部構造を示す斜視図。 図７は、前記半導体モジュールのモールド樹脂体を透視して内部構造を示す斜視図。 図８は、前記半導体モジュールのモールド樹脂体を透視して内部構造を示す平面図。 図９は、前記半導体モジュールの構成部品を示す分解斜視図。 図１０は、前記半導体モジュールを示す側面図。 図１１は、前記半導体モジュールを示す平面図。 図１２は、前記半導体モジュールを示す正面図。 図１３は、前記半導体モジュールの底面を研削する際、前記半導体モジュールをクランパによりクランプして保持した状態を示す側面図。 図１４は、前記半導体モジュールの温度測定をする際に用いるモデルを示す側面図および断面図。 図１５は、第１導電体に対する第１半導体素子および第２半導体素子の配置、並びに、第１導電体の長手方向中心から第１半導体素子の中心位置までの距離と第１半導体素子の温度との関係、を示す図。 図１６は、第１半導体素子（ＩＧＢＴ）の発熱量に対する第２半導体素子（ダイオード）の発熱量の比と、第１半導体素子の最適配設位置との関係を示す図。 図１７は、第２の実施形態に係る半導体電力変換装置の半導体装置を示す斜視図。 図１８は、第２の実施形態に係る半導体装置の側面図。 図１９は、第２の実施形態に係る半導体装置の平面図。 図２０は、第１変形例に係る半導体装置の斜視図。 図２１は、第１変形例に係る半導体装置の平面図。
以下に、図面を参照しながら、実施形態に係る半導体電力変換装置ついて詳細に説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
（第１の実施形態）
図１は、制御回路基板を取り外して示す第１の実施形態に係る半導体電力変換装置の斜視図、図２は、半導体電力変換装置の支持フレームおよび冷却器を示す斜視図、図３は、制御回路基板を含む半導体電力変換装置全体を示す斜視図である。
図１ないし図３に示すように、半導体電力変換装置１０は、冷却器１２、冷却器１２上に固定された支持フレーム１４、および、冷却器１２上に載置され、支持フレームにより支持された複数の半導体モジュール（半導体装置）１６を備えている。冷却器１２は、平坦な矩形状の受熱面１８ａを有する扁平な直方体形状の冷却ブロック１８を有している。冷却ブロック１８は、例えば、アルミニウムで形成されている。また、冷却ブロック１８内には、水等の冷却媒体を流す冷媒流路２０が形成されている。
支持フレーム１４は、受熱面１８ａに対応する大きさの矩形状の外枠と、外枠間を延びる互いに平行な複数の連結梁とを一体に有し、これら外枠および連結梁により例えば、４列に並んだ、それぞれ矩形状の設置空間部２２を形成している。また、支持フレーム１４には、後述する半導体モジュール１６に電気的に接続される複数の接続端子２４を有する複数のバスバー２６、複数の入力端子２８、および２組の３相の出力端子３０が設けられている。バスバー２６の接続端子２４は、各設置空間部２２の各側縁に沿って、複数個ずつ間隔を置いて並んで配置されている。そして、支持フレーム１４は、例えば、インサートモールドにより、複数の端子と一体に樹脂により成形されている。また、支持フレーム１４は、例えば、複数のねじにより冷却ブロック１８の受熱面１８ａ上に固定されている。
図１に示すように、半導体モジュール１６は、例えば、６個ずつ、４列に並んで支持フレーム１４に設置されている。各列において、６個の半導体モジュール１６は、支持フレーム１４の設置空間部２２内に配置され、各半導体モジュールの底面は、図示しない絶縁シートを介して冷却器１２の受熱面１８ａ上に設置されている。各半導体モジュール１６の電力端子は、バスバー２６の接続端子２４に接触し、バスバー２６に電気的に接続されている。また、各半導体モジュール１６の複数の信号端子５０は、上方へ突出している。
図３に示すように、半導体電力変換装置１０は、半導体モジュール１６および装置全体の入出力および動作を制御する制御回路基板３２を備えている。制御回路基板３２は、支持フレーム１４とほぼ等しい大きさの矩形状に形成されている。制御回路基板３２は、半導体モジュール１６上に重ねて設置され、図示しない固定ねじ等により支持フレーム１４に取り付けられている。各半導体モジュール１６の信号端子５０は、制御回路基板３２に電気的に接続されている。
次に、半導体電力変換装置を構成する半導体モジュール（半導体装置）１６について詳細に説明する。
図４および図５は、半導体モジュールを示す斜視図、図６、図７、図８は、半導体モジュールのモールド樹脂体を透視して内部構造を示す斜視図および平面図、図９は、半導体モジュールの構成部品を示す分解斜視図である。図１０、図１１、図１２は、半導体モジュールを示す側面図、平面図、正面図である。
図４ないし図９に示すように、半導体モジュール１６は、いわゆる両面放熱型および垂直実装型の電力変換装置として構成されている。すなわち、半導体モジュール１６は、例えば、銅により形成された角柱形状の第１導電体（コレクタ）３４と、同じく、銅により形成された角柱形状の第２導電体（エミッタ）３６と、これら第１および第２導電体間に挟まれてこれらの導電体に接合された第１半導体素子３８および第２半導体素子４０と、を備えている。
第１導電体３４は、１つの主面（側面）が矩形状の接合面（第１接合面）３４ａを構成し、更に、この接合面３４ａと直交する底面（第１底面）３４ｂが放熱面を構成している。第２導電体３６は、長さが第１導電体３４とほぼ等しく、厚さ（幅）が第１導電体３４よりも小さく、例えば、約３分の１程度に形成され、更に、高さが、第１導電体３４の高さよりも低く形成されている。第２導電体３６は、１つの主面（側面）が矩形状の接合面（第２接合面）３６ａを構成し、更に、この接合面と直交する底面（第２底面）３６ｂが放熱面を構成している。第２導電体３６は、その接合面３６ａが第１導電体３４の接合面３４ａと平行に対向し、かつ、底面３６ｂが第１導電体３４の底面３４ｂと同一平面上に位置するように配置されている。なお、第１および第２導電体３４、３６において、接合面と底面とは直交するように、すなわち、互いに垂直に形成されているが、これに限らず、直角以外の異なる角度で交差するように形成することも可能である。
第１半導体素子３８は、パワー半導体素子、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)であり、第２半導体素子４０は、ダイオードを用いている。第１半導体素子３８は、矩形板状に形成され、表面および裏面に異なる電極を構成している。また、第１半導体素子３８の一方の表面に、複数、例えば、４つの接続端子３８ａが形成されている。そして、第１半導体素子３８の表面および裏面は、電極部分および接続端子部分を除いて、絶縁膜、例えば、ポリイミドのフィルムで覆われている。
第２半導体素子４０は、矩形板状に形成され、表面および裏面に異なる電極を構成している。第２半導体素子３８の表面および裏面は、矩形状の電極部分を除いて、絶縁膜、例えば、ポリイミドのフィルムで覆われている。
第１半導体素子３８は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に配置され、一方の電極が第１接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ａにより第１導電体３４の接合面３４ａに接合されている。第２半導体素子４０は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に配置され、更に、第１導電体３４の長手方向に隙間を置いて第１半導体素子３８と並んで配置されている。第２半導体素子４０は、一方の電極が第２接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ａにより第１導電体３４の接合面３４ａに接合されている。
このように、第１半導体素子３８および第２半導体素子４０は、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に、かつ、第１導電体の底面３４ｂに対して垂直に配置されている。
また、第１導電体３４の接合面３４ａには、第５接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｅが設けられ、第１半導体素子３８の側方に並んで位置している。
第１半導体素子３８の他方の電極上に第３接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｃを介して、位置決め用の第１凸型導電体４４ａが接合されている。第１凸型導電体４４ａは、例えば、銅により形成され、扁平な直方体形状の本体と、本体の一方の主面から突出し、本体よりも小径で扁平な直方体形状の凸部４５ａと、を一体に有している。そして、第１凸型導電体４４ａは、本体の平坦な主面側が半田シート４２ｃにより第１半導体素子３８の電極に電気的かつ機械的に接合されている。
第２半導体素子４０の他方の電極上に第４接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｄを介して、位置決め用の第２凸型導電体４４ｂが接合されている。第２凸型導電体４４ｂは、例えば、銅により形成され、扁平な直方体形状の本体と、本体の一方の主面から突出し、本体よりも小径で扁平な直方体形状の凸部４５ｂと、を一体に有している。そして、第２凸型導電体４４ｂは、本体の平坦な主面側が半田シート４２ｄにより第２半導体素子４０の電極に電気的かつ機械的に接合されている。
なお、第１および第２凸型導電体４４ａ、４４ｂは、別体に限らず、２つの本体を一体に形成し、２つの凸部を共通の本体上に設ける構成としてもよい。
図４ないし図９に示すように、半導体モジュール１６は、後述する導電金属板からなるリードフレームによりそれぞれ構成された第１電力端子４６ａ、第２電力端子４６ｂ、第２電力端子に連続する接続部４８、複数、例えば、５本の信号端子５０を備えている。
第１電力端子４６ａは、独立して形成され、その基端部が半田シート４２ｅにより第１導電体３４の接合面３４ａに接合されている。第１電力端子４６ａは、第１導電体３４の長手方向一端からモジュールの外側に突出し、その接触部４７ａは、第１導電体３４側へ直角に折り曲げられ、モジュールの端面とほぼ平行に対向している。
第２電力端子４６ｂは、その基端部が接続部４８に連結されている。また、第２電力端子４６ｂは、第１導電体３４の長手方向他端側からモジュールの外側に突出し、その接触部４７ｂは、第１導電体３４側へ直角に折り曲げられ、半導体モジュールの他端面とほぼ平行に対向している。
接続部４８は、細長い矩形板状に形成されている。この接続部４８には、それぞれ位置決め用の矩形状の第１開口５１ａおよび第２開口５１ｂが並んで形成されている。第１開口５１ａは、第１凸型導電体４４ａの凸部４５ａが嵌合可能な大きさで、かつ、第１凸型導電体４４ａの本体よりも小さく形成されている。同様に、第２開口５１ｂは、第２凸型導電体４４ｂの凸部４５ｂが嵌合可能な大きさで、かつ、第２凸型導電体４４ｂの本体よりも小さく形成されている。接続部４８の第２導電体３６側の表面には、第１および第２開口５１ａ、５１ｂを含む領域に亘って浅い矩形状の凹所５６が形成されている。更に、接続部４８は、その上縁から上方に突出する３本の支持突起を一体に有している。真ん中の支持突起から一本の信号端子５０が上方へ延びている。
接続部４８および第２電力端子４６ｂは、第１および第２凸型導電体４４ａ、４４ｂの凸部４５ａ、４５ｂが第１開口５１ａ、第２開口５１ｂにそれぞれ係合した状態で、第１および第２凸型導電体４４ａ、４４ｂに接合されている。
更に、接続部４８および第１および第２凸型導電体４４ａ、４４ｂの凸部４５ａ、４５ｂは、接続部４８の凹所５６内に配置された第６接続体、例えば、矩形状の半田シート４２ｄにより、第２導電体３６の接合面３６ａに電気的および機械的に接合されている。すなわち、接続部４８、第１および第２凸型導電体４４ａ、４４ｂ、および第２導電体３４の３部材は、半田シート４２ｄにより相互に接合されている。
以上により、第１半導体素子３８および第２半導体素子４０の電極は、第１凸型導電体４４ａ、４４ｂを介して、第２導電体３６の接合面３６ａに電気的に接合されている。第１半導体素子３８および第２半導体素子４０は、第１導電体３４と第２導電体３６と間に挟まれ、接合面３４ａ、３６ａと平行に、かつ、第１導電体および第２導電体の底面３４ｂ、３６ｂに対して垂直に配置されている。
信号端子５０は、モジュールから上方に突出し、第１導電体３４の接合面３４ａと平行に延びている。４本の信号端子５０の基端は、ボンディングワイヤ５３により、第１半導体素子３８の接続端子３８ａに接続されている。
図４ないし図８、および図１０ないし図１２に示すように、半導体モジュール１６は、上述した構成部材を被覆した絶縁材、例えば、モールド樹脂体（絶縁体）５２を備えている。モールド樹脂体５２は、ほぼ直方体形状に形成されている。モールド樹脂体５２は、第１および第２半導体素子３８、４０対して垂直に延びているとともに第１導電体３４の底面３４ｂおよび第２導電体３６の底面３６ｂが露出した平坦な底面５２ｃと、底面５２ｃに対して垂直に延びる平坦な第１側面５２ａと、底面５２ｃに対して垂直に延びているとともに第１側面５２ａと平行に対向する第２側面５２ｂと、第１側面および第２側面間に位置し底面５２ｃと対向する天井面５２ｄと、底面５２ｃおよび第１、第２側面の一端と交差して延びる第１端面５２ｅと、底面５２ｃおよび第１、第２側面の他端と交差して延びる第２端面５２ｅと、を有している。本実施形態において、第１および第２側面５２ａ、５２ｂは、第１および第２導電体３４、３６の接合面２３ａ、３６ａと平行に位置している。
モールド樹脂体５２は、成形型を型抜きする際に形成されるパーティングライン５４を有している。このパーティングライン５４は、モールド樹脂体５２の第１端面５２ｅ、天井面５２ｄ、第２端面５２ｅに亘って形成され、第１および第２側面５２ａ、５２ｂと平行に延びている。また、パーティングライン５４は、モールド樹脂体５２の厚さ方向Ｗ（図１０、図１１参照）の中心よりも、第２側面５２ｂ側にずれて位置し、リードフレームの接続部４８、第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂの基端部（本体）を含む平面内に位置している。
モールド樹脂体５２の天井面５２ｄにおいて、パーティングライン５４と第１側面５２ａとの間の部分は、パーティングライン５４から第１側面５２ａに向かって底面５２ｃ側へ僅かに傾斜して延び、パーティングライン５４と第２側面５２ｂとの間の部分は、パーティングライン５４から第２側面５２ｂに向かって底面５２ｃ側へ僅かに傾斜して延びている。
モールド樹脂体５２の各端面５２ｅにおいて、パーティングライン５４と第１側面５２ａとの間の部分は、パーティングライン５４から第１側面５２ａに向かって他方の端面側へ僅かに傾斜して延び、パーティングライン５４と第２側面５２ｂとの間の部分は、パーティングライン５４から第２側面５２ｂに向かって他方の端面側へ僅かに傾斜して延びている。
図４ないし図８、および図１０ないし図１２に示すように、第１電力端子４６ａは、パーティングライン５４の位置でモールド樹脂体５２の一方の端面５２ｅからモールド樹脂体の長手方向外方に突出し、第１側面５２ａと平行に位置する本体と、本体から延出する平坦な矩形板状の接触部４７ａと、を一体に有している。接触部４７ａは、本体に対して第１側面５２ａ側へ所定角度θ、例えば、直角に折曲げられ、モールド樹脂体５２の第１端面５２ｅと隙間をおいて対向している。また、接触部４７ａは、折り曲げることにより、モールド樹脂体５２に対して、モールド樹脂体の厚さ方向Ｗの中央、すなわち、第１側面５２ａを含む第１平面Ｐ１と第２側面５２ｂを含む第２平面Ｐ２との間の範囲内、ここでは、第１平面Ｐ１と第２平面Ｐ２との間の中心部、に位置している。
第２電力端子４６ｂは、パーティングライン５４の位置でモールド樹脂体５２の第２端面５２ｅからモールド樹脂体の長手方向外方に突出し、第１側面５２ａと平行に位置する本体と、本体から延出する平坦な矩形板状の接触部４７ｂと、を一体に有している。接触部４７ｂは、本体に対して第１側面５２ａ側へ角度θ、例えば、直角に第１側面５２ａ側に折曲げられ、モールド樹脂体５２の第１端面５２ｅと隙間をおいて対向している。また、接触部４７ａは、折り曲げることにより、モールド樹脂体５２に対して、モールド樹脂体の厚さ方向Ｗの中央、すなわち、第１側面５２ａを含む第１平面Ｐ１と第２側面５２ｂを含む第２平面Ｐ２との間の範囲内、ここでは、第１平面Ｐ１と第２平面Ｐ２との間の中心部、に位置している。
５本の信号端子５０は、細長い棒状に形成され、パーティングライン５４の位置でモールド樹脂体５２の天井面５２ｄから上方に突出している。５本の信号端子５０は、互いに平行に延びている。各信号端子５０は、天井面５２ｄ上においてパーティングライン５４の位置から第１側面５２ａと平行に延出する基端部と、基端部に対して長手方向に離間した２箇所で折曲げられ折曲げ部と、折曲げ部から延出する接続端部５０ａとを有している。接続端部５０ａは、モールド樹脂体５２の厚さ方向Ｗの中央に位置している。すなわち、接続端部５０ａは、第１平面Ｐ１と第２平面Ｐ２との間の中心に位置し第１および第２平面と平行な中心平面内に延在している。
また、図１１に示すように、これら５本の信号端子５０、並びに、第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂは、モールド樹脂体５２の長手方向中央に位置する中心線Ｃに対して、左右対称に配置されている。信号端子５０の少なくとも接続端部５０ａの外面に、図示しない導電膜が形成されている。
以上のように構成された半導体モジュール１６は、図１、図１０、図１２に示すように、支持フレーム１４の設置空間部２２内に配置され、半導体モジュールの底面５２ｃは、絶縁シート５５を介して冷却器１２の受熱面１８ａ上に設置されている。これにより、第１および第２導電体３４、３６は、冷却器１２に熱的に接続され、第１および第２半導体素子３８、４０で発生した熱を第１および第２導電体３４、３６を介して冷却器１２に放熱することができる。半導体モジュール１６の第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂの接触部４７ａ、４７ｂは、それぞれバスバー２６の接続端子２４に接触し、バスバー２６に電気的に接続されている。また、半導体モジュール１６の複数の信号端子５０は、上方へ突出している。
一列に並んだ複数の半導体モジュール１６において、隣合う２つの半導体モジュールは、モールド樹脂体５２の側面同志が隣接対向して、あるいは、互いに当接した状態で配置されている。隣合う２つの半導体モジュール１６の内、一方は、他方に対して１８０度反転した向きで配置してもよい。いずれの向きで配置した場合でも、半導体モジュールの第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂは、バスバー２６の接続端子２４に確実に係合する。また、この場合でも、いずれの向きで配置した場合でも、半導体モジュール１６の信号端子５０は、モールド樹脂体５２の厚さ方向中央部に位置し、制御回路基板３２に対して所定位置に配置される。
図３に示すように、制御回路基板３２を半導体モジュール１６上に設置することにより、各半導体モジュール１６の信号端子５０の端部は、制御回路基板３２に形成されたスルーホールに挿通され、図示しない半田等により制御回路基板に電気的に接続される。
図１、図１０ないし図１２に示すように、上記のように構成された半導体モジュール１６は、冷却ブロック１８の受熱面１８ａ上に絶縁シート５５を介して載置される。半導体モジュール１６は、モールド樹脂体５２の底面５２ｃが受熱面１８ａに密着した状態で受熱面１８ａ上に載置される。これにより、第１および第２導電体３４，３６の底面３４ｂ、３６ｂが絶縁シート５５を介して受熱面１８ａに密着する。また、第１電力端子４６ａおよび第２電力端子４６ｂの接触部４７ａ、４７ｂは、それぞれバスバーの接続端子２４に押付けられ、接続端子２４に電気的に接続される。複数の半導体モジュール１６を設置する場合、隣合う２つのモールド樹脂体５２の第１側面と第２側面とが、僅かな隙間を置いて対外に平行に対向した状態で設置される。前述したように、モールド樹脂体５２の第１および第２側面は、互いに平行に、かつ、平坦に形成されているため、複数の半導体モジュール１６を非常に小さな隙間をおいて並べて設置することができる。従って、半導体モジュール１６の実装密度を上げ、電力変換装置の小型化を図ることができるとともに、同一の大きさであれば、電力変換装置の高出力化を図ることが可能となる。
また、複数の半導体モジュール１６は、同一の向きで設置されてもよく、あるいは、いくつかの半導体モジュール１６を他の半導体モジュールと反対向き、すなわち、１８０度反転した向きに設置してもよい。前述したように、半導体モジュール１６の第１および第２電力端子の接触部４７ａ、４７ｂ、並びに、信号端子５０の接続端部５０ａは、モールド樹脂体５２の幅方向Ｗの中央部に設けられているため、半導体モジュール１６をいずれの向きに設置した場合でも、接触部４７ａ、４７ｂは接続端子２４に対して相対的に同一位置に配置され、同様に、信号端子５０も制御回路基板３２に対して相対的に同一位置に配置される。従って、半導体モジュール１６をいずれの向きに設置した場合でも、半導体モジュール１６を確実に接続端子２４および制御回路基板３２に接続することができる。
また、図１３に示すように、半導体モジュール１６の製造過程において、モールド樹脂体５２の底面を研削して平坦に加工する。その際、モールド樹脂体５２の第１側面５２ａおよび第２側面５２ｂは、それぞれ平坦に、かつ互いに平行に形成されているため、クランパ６０ａ、６０ａにより第１および第２側面５２ａ、５２ｂを挟んで押圧することにより、半導体モジュール１６を強固に保持することができる。そして、このように半導体モジュール１６を強固に保持した状態で、底面を研削することにより、高い平面度を有する底面を形成することが可能となる。モールド樹脂体５２の底面５２ｃの平面度を高くすることにより、半導体モジュール１６の底面５２ｃを冷却器の受熱面に密着させ、熱抵抗を低減することができる。これにより、半導体モジュールの冷却効率を向上することができ、また、その分、第１および第２導電体を小さくすることが可能となる。
更に、前述したように半導体モジュール１６を第１および第２側面の両側から強固に把持した状態で、底面を研削することにより、研削によるモールド樹脂体と第１および第２導電体との間の剥離を防止することができる。これにより、信頼性の向上した半導体モジュールが得られる。
第１の実施形態において、第１および第２半導体素子３８、４０は、第１導電体３４に対して、冷却効率が最適となる位置に配置されている。すなわち、半導体装置のコスト低減のためには、半導体素子（半導体チップ）をできるだけ小さくすることが効果的である。半導体素子を小さくすると電流密度が高くなるため、チップ温度が上昇しやすくなる。半導体素子の使用上限温度は１５０℃程度の上限があるため、半導体素子の温度上昇をできるだけ小さくするパッケージ構造が必要となる。第１導電体上の半導体素子温度は、第１導電体上の素子位置の影響をうける。そのため、本実施形態では、第１および第２半導体素子３８、４０の配置を最適化している。
図１４は、前記半導体モジュールの温度測定をする際に用いるモデルを示す側面図および断面図、図１５は、第１導電体に対する第１半導体素子および第２半導体素子の配置、並びに、第１導電体の長手方向中心から第１半導体素子の中心位置までの距離と第１半導体素子の温度との関係、を示す図、図１６は、第１半導体素子（ＩＧＢＴ）の発熱量に対する第２半導体素子（ダイオード）の発熱量の比と、第１半導体素子の最適配設位置との関係を示す図である。
図１４に示すように、モデルを用いて、半導体素子の発熱温度を測定し、半導体素子の配設位置と発熱温度との関係を求めた。モデルは、第１導電体３４と、第２導電体３６と、これらの導電体間に接合された第１半導体素子（ＩＧＢＴ）３８、第２半導体素子（ダイオード）４０とを有し、冷却ブロック１８の受熱面上に設置されているものとする。
第１導電体３４の長さＬは、例えば、３５ｍｍ、厚さＴ１は１０ｍｍ、第２導電体３６の長さは３５ｍｍ、厚さＴ２は４．５ｍｍに形成されている。第１半導体素子（ＩＧＢＴ）３８のチップサイズは１０．３×１０．３ｍｍ、第２半導体素子（ダイオード）４０のチップサイズは９．８×９．８ｍｍとしている。また、冷却ブロック１８はアルミニウムで形成され、その熱伝達率は、３０００Ｗ／ｍ2Ｋとしている。
上記のモデルを用いて、第１半導体素子３８の配設位置に対応する発熱温度を測定した。図１５（Ａ）、（Ｂ）に示す測定例では、第１半導体素子３８の発熱量を１００Ｗ、第２半導体素子４０の発熱量を０Ｗとしている。第１半導体素子３８は、その中心が第１導電体３４の長手方向の中心軸Ｃ上に位置するように配置され、第２半導体素子４０は、中心軸Ｃから第１導電体の一端側にずれて配置されている。上記の配設位置を基準とし、第１半導体素子３８を第１導電体３４の中心軸Ｃから第１導電体３４の他端側（第２半導体素子と反対側）へ長手方向に沿ってΔ（半導体素子の中心と中心軸Ｃとの間の距離）だけずらした複数の位置に配置した場合のそれぞれについて、第１半導体素子３８の発熱温度を測定した。図１５（Ａ）から、第１半導体素子３８の中心が、第１導電体３４の中心軸Ｃ上に位置するように第１半導体素子３８が配置されていると、第１半導体素子３８の発熱温度が最も低く、また、第１半導体素子３８が中心軸Ｃから離れるに従って、つまり、第１半導体素子３８の中心と中心軸Ｃとの間の距離Δが大きくなるに従って、第１半導体素子の発熱温度が上昇することが解る。このように、第２半導体素子４０が発熱しない場合、第１半導体素子３８の最適配設位置は、Δ／Ｌ＝０、すなわち、第１導電体３４の長手方向中央であることが解る。
図１５（Ｃ）、（Ｄ）に示す測定例では、第１半導体素子３８の発熱量を１００Ｗ、第２半導体素子４０の発熱量を２５Ｗとしている。そして、上記と同様に、第１半導体素子３８の配設位置を複数個所に変更して、つまり、第１半導体素子の中心と中心軸Ｃとの間の距離Δを順次変更した配設位置について、第１半導体素子の発熱温度を測定した。図１５（Ｃ）から、距離Δをゼロとする場合よりも、距離Δを約２．４ｍｍ（Δ／Ｌ＝０．０６８）とし第１半導体素子３８を中心軸Ｃから第１導電体３４の他端側へ僅かにずらして配置すると、第１半導体素子３８の発熱温度が最も低くなる。また、第１半導体素子３８の中心と中心軸Ｃとの間の距離Δが更に大きくなると、第１半導体素子の発熱温度が上昇することが解る。
図１５（Ｅ）、（Ｆ）に示す測定例では、第１半導体素子３８の発熱量を１００Ｗ、第２半導体素子４０の発熱量を５０Ｗとしている。そして、上記と同様に、第１半導体素子３８の配設位置を複数個所に変更して、つまり、第１半導体素子の中心と中心軸Ｃとの間の距離Δを順次変更した配設位置について、第１半導体素子の発熱温度を測定した。図１５（Ｆ）から、距離Δをゼロから増やしていくと、第１半導体素子の発熱温度が徐々に低下し、距離Δが約４．２ｍｍ（Δ／Ｌ＝０．１２）の位置で、発熱温度が最も低くなる。そして、距離Δが更に大きくなると、第１半導体素子の発熱温度が上昇することが解る。
上記のように、第２半導体素子４０の発熱量に応じて、すなわち、第２半導体素子４０の発熱量と第１半導体素子の発熱量との比に応じて、第１半導体素子の最適な配設位置、つまり、第１半導体素子の発熱温度が最も低くなる配設位置が異なる。図１６に示すように、本実施形態では、使用する第１半導体素子および第２半導体素子の発熱量の比（第２半導体素子の発熱量／第１半導体素子の発熱量）を例えば、０．２ないし０．７の範囲に定め、この範囲での、第１半導体素子の最適配設位置（Δ／Ｌ）を、０．１５以下としている。また、望ましくは、第１半導体素子の最適配設位置（Δ／Ｌ）を、０．０５以上、０．１５以下（Δ＝０．０５Ｌないし０．１５Ｌ）の範囲としている。
第１半導体素子３８を上記の最適配設位置に設けることにより、第１半導体素子を効率よく冷却し、発熱温度を低く抑えることができる。これにより、第１半導体素子をより小型化した場合でも、最大電流印加時の半導体素子の発熱温度を１５０℃以下にすることが可能となり、第１半導体素子をより小さくすることが可能となる。そして、第１半導体素子の小型化により、半導体モジュール１６全体の小型化を図ることが可能となる。
また、第１半導体素子の発熱温度が低減することにより、第１導電体の厚さを薄くしても第１半導体素子の冷却が可能となり、第１導電体の小型化および半導体モジュール全体の小型化を図ることができる。
以上のことから、本実施形態によれば、小型化、信頼性の向上を図ることができるとともに、密に並べて設置することが可能な半導体装置が得られる。
次に、他の実施形態に係る電力変換装置の半導体装置について説明する。以下に述べる他の実施形態において、上述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に詳細に説明する。
（第２の実施形態）
図１７は、第２の実施形態に係る半導体モジュール（半導体装置）を示す斜視図、図１８は、半導体モジュールも側面図、図１９は、半導体モジュールの平面図である。
図１７ないし図１９に示すように、第２の実施形態によれば、半導体モジュール１６のモールド樹脂体５２は、第１側面５２ａと天井面５２ｄとが交わる角部に形成された第１段部（第１凹所）７１と、第２側面５２ｂと天井面５２ｄとが交わる角部に形成された第２段部（第２凹所）７０と、を有している。本実施形態において、第１段部７１は、モールド樹脂体５２の長手方向全長に亘って形成され、同様に、第２段部７０は、モールド樹脂体５２の長手方向全長に亘って形成されている。
第１段部７１は、モールド樹脂体５２の底面５２ｃとほぼ平行に延びる第１押圧面７１ａと、第１側面５２ａとほぼ平行に延びる第２押圧面７１ｂと、により形成されている。第１段部７１の第２押圧面７１ｂの一部、例えば、長手方向の中央部に、位置決め用の切欠き部７２が形成されている。
第２段部７０は、モールド樹脂体５２の底面５２ｃとほぼ平行に延びる第１押圧面７０ａと、第２側面５２ｂとほぼ平行に延びる第２押圧面７０ｂと、により形成されている。
半導体モジュール１６の他の構成は、前述した第１の実施形態に係る半導体モジュールと同一である。
上記のように構成された第２の実施形態に係る半導体モジュール１６によれば、この半導体モジュールを所定位置に設置する際、図１８に示すように、例えば、リフトあるいはクランパ８０ａ、８０ｂにより、第１および第２段部７１、７０の位置で半導体モジュールを把持し、昇降あるいは移動することができる。この際、クランパ８０ａ、８０ｂにより第１段部および第２段部の第１押圧面７１ａ、７０ａを両側から押圧することにより半導体モジュール１６を把持し、第１および第２段部の第２押圧面７１ｂ、７０ｂを押圧することにより、半導体モジュールを所定位置に押付け設置することができる。また、第１段部７１に設けられた位置決め用の切欠き部７２にクランパ８０ａを係合させることにより、半導体モジュール１６に対するクランパの把持位置を位置決めすることができる。
更に、第１および第２段部７１、７０の位置で半導体モジュールを把持することにより、クランパ８０ａ、８０ｂを半導体モジュールの第１および第２側面間の内側に配置することが可能となる。これにより、半導体モジュールを把持して、狭いスペースに設置することができ、すなわち、他の半導体モジュールに接近して設置することができる。
なお、第１および第２段部７１、７０は、モールド樹脂体５２の全長に亘って延びている構成に限らず、角部の一部に、あるいは、複数個所に設けてもよい。
図２０および図２１は、第１変形例に係る半導体モジュールを示している。第１変形例によれば、第１段部７１は、モールド樹脂体５２の一方の角部の長手方向中央部に形成され、第２段部７０は、モールド樹脂体５２の他方の角部の２箇所に形成されている。
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、半導体装置の構成部材の寸法、形状等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。
１０…半導体電力変換装置、１２…冷却器、１４…支持フレーム、
１６…半導体モジュール、１８…冷却ブロック、１８ａ…受熱面、２４…接続端子、
２６…バスバー、３２…制御回路基板、３４…第１導電体、３４ａ…接合面、
３４ｂ…底面、３６…第２導電体、３６ａ…接合面、３６ｂ…底面、
３８…第１半導体素子、４０…第２半導体素子、４４ａ…第１凸型導電体、
４４ｂ…第２凸型導電体、４５ａ、４５ｂ…凸部、４６ａ…第１電力端子、
４６ｂ…第２電力端子、４８…接続部、５０…信号端子、
５１ａ、５１ｂ…位置決め開口、５２…モールド樹脂体、５２ａ…第１側面、
５２ｂ…第２側面、５２ｃ…底面、５４…パーティングライン、

Claims (12)

  1. 第１接合面および第１接合面と直交する第１底面を有する直方体形状の第１導電体と、
    前記第１接合面と対向する第２接合面および第２接合面と直交し前記第１底面と同一平面に位置する第２底面を有する直方体形状の第２導電体と、
    前記第１導電体と第２導電体との間に配置され、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接続された板状の第１半導体素子と、
    前記第１導電体と第２導電体との間に配置され、一方の電極が前記第１導電体の第１接合面に接合され、他方の電極が前記第２導電体の第２接合面に接続された板状の第２半導体素子と、
    前記第１接合面に接合された基端部を有し、前記第１導電体から外側に延出する第１電力端子と、
    前記第２接合面から前記第２導電体の外側に延出する第２電力端子と、
    前記第１半導体素子に接続された信号端子と、
    前記第１電力端子の基端部、第２電力端子の基端部、信号端子の基端部、並びに、前記第１および第２導電体を覆う直方体形状の絶縁体と、を備え、
    前記絶縁体は、前記第１および第２半導体素子に対して垂直に延びているとともに前記第１導電体の第１底面および第２導電体の第２底面が露出した平坦な底面と、前記底面に対して垂直に延びる平坦な第１側面と、前記底面に対して垂直に延びているとともに前記第１側面と平行に対向する第２側面と、前記第１側面および第２側面間に位置し前記底面と対向する天井面と、前記底面および第１、第２側面の一端と交差して延びる第１端面と、前記底面および第１、第２側面の他端と交差して延びる第２端面と、を有し、
    前記第１電力端子は、前記第１端面から外方に延出し、前記第２電力端子は前記第２端面から外方に延出し、前記信号端子は前記天井面から外方に延出し、
    前記絶縁体の前記第１端面、天井面、および第２端面に亘って、パーティングラインが形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第１電力端子は、前記第１端面から前記第１側面と平行に延出する本体と、前記本体に対して折曲げられ前記第１端面と隙間をおいて対向する平坦な第１接触部と、を有し、
    前記第２電力端子は、前記第２端面から前記第１側面と平行に延出する本体と、前記本体に対して折曲げられ前記第２端面と隙間をおいて対向する平坦な第２接触部と、を有し、
    前記第１接触部および第２接触部は、前記第１側面を含む第１平面と前記第２側面を含む第２平面との間の範囲内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１接触部は、前記本体に対して直角に折曲げられて、前記第２接触部は、前記本体に対して、前記第１接触部と同一方向に、直角に折曲げられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１出力端子の本体は、前記第１端面上において前記パーティングラインの位置から外側に延出し、前記第２出力端子の本体は、前記第２端面上において前記パーティングラインの位置から外側に延出していることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置。
  5. 前記パーティングラインは、前記第１側面と第２側面との間の中心よりも前記第２側面側にずれて形成され、
    前記第１および第２電力端子の第１接触部および第２接触部は、前記第１側面側に折曲げられ、前記第１平面と第２平面との間の中心部に位置していることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記パーティングラインは、前記第１側面と第２側面との間の中央よりも前記第２側面側にずれて形成され、
    前記信号端子は、前記天井面上において前記パーティングラインの位置から前記第１側面と平行に延出する基端部と、基端部に対して折曲げられた折曲げ部と、折曲げ部から延出し、前記第１平面と第２平面との間の中心に位置し前記第１および第２平面と平行な中心平面内に位置する接続端部と、を有することを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記絶縁体は、前記第１側面と前記天井面とが交わる角部に形成された第１段部と、前記第２側面と前記天井面とが交わる角部に形成された第２段部と、を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記絶縁体は、前記第１段部および第２段部の少なくとも一方に形成された位置決め用の切欠き部を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記第１半導体素子および第２半導体素子は、前記第１導電体の第１接合面と平行に配置されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 前記第１半導体素子の他方の電極と前記第２導電体の第２接合面との間に接合された第１凸型導電体と、前記第２半導体素子の他方の電極と前記第２導電体の第２接合面との間に接合された第２凸型導電体と、を備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記第１半導体素子は、パワー半導体素子であり、
    前記第２半導体素子は、前記第１導電体の第１接合面の長手方向の中心に対して、前記第１接合面の長手方向一端側にずれて配置され、
    前記第１導電体の第１接合面の長手方向の長さをＬとした場合、前記第１半導体素子は、前記第１半導体素子の中心が、前記第１接合面の前記長手方向の中心位置から、前記第１接合面の長手方向他端側に０．１５Ｌ以内に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記第１半導体素子は、前記第１半導体素子の中心が、前記第１接合面の前記長手方向の中心位置から、前記第１接合面の長手方向他端側に０．０５Ｌ以上、０．１５Ｌ以下の範囲内に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
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