JP2014192976A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の共通化により小型化を図ることができる半導体装置の提供。
【解決手段】半導体装置は、基板と、表面側に第１電極を有し、裏面側に第２電極を有する第１スイッチング素子であって、前記第１電極が前記基板側に来る向きで前記基板上に設けられる第１スイッチング素子と、表面側に第１電極を有し、裏面側に第２電極を有する第２スイッチング素子であって、前記第２電極が前記基板側に来る向きで前記基板上に設けられる第２スイッチング素子と、前記基板に設けられ、前記第１スイッチング素子の信号端子に接続される導体線とを備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、半導体装置に関する。

従来から、インバータの各アームを構成する６つのＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）を、６つの素子基板上に配置した半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この半導体装置では、ＩＧＢＴは、上面側にエミッタ電極及びゲート電極を備え、下面側にコレクタ電極を備える。６つのＩＧＢＴの全ては、コレクタ電極側が素子基板に接合する向きで設けられている。

特開２０１２‐１５１３４２号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の構成では、例えばインバータのＵ相の上下アームのそれぞれの素子基板は、異なる電位となるため、互いに対して所定の絶縁距離だけ離れて配置される必要がある。これは、Ｕ相以外のＶ相、Ｗ相の上下アームのそれぞれの素子基板についても同様である。この結果、半導体装置の小型化が妨げられるという問題がある。

そこで、本開示は、基板の共通化により小型化を図ることができる半導体装置の提供を目的とする。

本開示の一局面によれば、基板と、
表面側に第１電極を有し、裏面側に第２電極を有する第１スイッチング素子であって、前記第１電極が前記基板側に来る向きで前記基板上に設けられる第１スイッチング素子と、
表面側に第１電極を有し、裏面側に第２電極を有する第２スイッチング素子であって、前記第２電極が前記基板側に来る向きで前記基板上に設けられる第２スイッチング素子と、
前記基板に設けられ、前記第１スイッチング素子の信号端子に接続される導体線とを備える、半導体装置が提供される。

本開示によれば、基板の共通化により小型化を図ることができる半導体装置が得られる。

一実施例（実施例１）による半導体装置１を示す図である。 比較例との対比で、図１に示した半導体装置１を示す上面図である。 図１（Ｂ）のＹ部の拡大図である。 他の実施例（実施例２）による半導体装置２を示す図である。 半導体装置２におけるＰ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０等の構成を示す上面図である。 Ｐ側バスバ８１０、中間絶縁層８１５及びＮ側バスバ８２０が配置された１つの半導体装置１００の断面図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。

図１は、一実施例（実施例１）による半導体装置１を示す図であり、（Ａ）は、上面視を示し、（Ｂ）は、断面視を示し、（Ｃ）は回路図を示す。

尚、半導体装置１の上下方向は、半導体装置１の搭載状態に応じて上下方向が異なるが、以下では、便宜上、半導体装置１のヒートスプレッダ２０に対して半導体チップ（半導体チップ１００Ｈ等）が存在する側を上方とする。

半導体装置１は、例えば、ハイブリッド車又は電気自動車で使用される走行用モータ駆動用のインバータを構成するものであってよい。ハイブリッド自動車は、車両を走行させるための動力源として、走行用モータ及び内燃機関を備える車両である。電気自動車は、車両の動力源として走行用モータのみを備える車両である。高圧バッテリは、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった任意の二次電池であってよい。高圧バッテリは、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）であってもよい。また、高圧バッテリは、複数の単電池を組み合わせた電池スタックから形成されてもよい。この場合、単電池の数は、要求出力等に基づいて、適宜決定されてよい。

以下では、半導体装置１は、一例として、走行用モータ駆動用のインバータのＵ相の上下アームを形成することとする。当然ながら、半導体装置１は、走行用モータ駆動用のインバータのＶ相の上下アームを形成してもよいし、走行用モータ駆動用のインバータのＷ相の上下アームを形成してもよい。

半導体装置１は、図1に示すように、半導体チップ１００Ｈ，１００Ｌ，２００Ｈ，２００Ｌと、ヒートスプレッダ２０と、導体線（信号取り出し線）７２とを含む。

半導体チップ１００Ｈは、本例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含む。半導体チップ１００Ｈは、矩形の平板状の形態を有する。半導体チップ１００Ｈは、上面にコレクタ電極（コレクタ領域）を備え、下面にエミッタ電極（エミッタ領域）１０１を備える。即ち、半導体チップ１００Ｈは、エミッタ電極１０１側がヒートスプレッダ２０上に接合される向きで実装される。また、半導体チップ１００Ｈは、下面側に端子部（信号パッド）１０３を含む。即ち、半導体チップ１００Ｈは、エミッタ電極１０１と同一の側に端子部１０３を含む。端子部１０３は、ゲート信号端子を含んでよい。端子部１０３は、その他、半導体チップ１００Ｈに内蔵されてよいセンスエミッタ（過電流検出用）や温度センサに係る信号端子を含んでよい。半導体チップ１００Ｈは、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field‐Effect Transistor)のような他のスイッチング素子を含んでもよい。

半導体チップ１００Ｈは、下半田層５０及び下半田層５３を介してヒートスプレッダ２０の上面に接合される。半導体チップ１００Ｈに係る下半田層５０は、半導体チップ１００Ｈのエミッタ電極１０１とヒートスプレッダ２０とを接合する。下半田層５３は、後述するが、半導体チップ１００Ｈの端子部１０３と導体線７２とを接合する。

半導体チップ１００Ｌは、半導体チップ１００Ｈと同一の構成（半導体チップとして同一の構造）を有する。但し、半導体チップ１００Ｌは、ヒートスプレッダ２０に対して半導体チップ１００Ｈとは逆向き（裏表逆）に設けられる。具体的には、半導体チップ１００Ｌは、上面にエミッタ電極１０１を備え、下面にコレクタ電極を備える。即ち、半導体チップ１００Ｌは、コレクタ電極側がヒートスプレッダ２０上に接合される向きで実装される。半導体チップ１００Ｌは、上面側に端子部１０３を含む。半導体チップ１００Ｌの端子部１０３は、制御基板（図示せず）にワイヤボンディング等で接続されてよい。即ち、半導体チップ１００Ｌの端子部１０３の接続には、半導体チップ１００Ｈの端子部１０３の接続に用いる導体線７２は使用されなくてよい。半導体チップ１００Ｌは、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴのような他のスイッチング素子であってもよいし、スイッチング素子以外の素子を含んでよい。

半導体チップ１００Ｌは、下半田層５０を介してヒートスプレッダ２０の上面に接合される。半導体チップ１００Ｌに係る下半田層５０は、半導体チップ１００Ｌのコレクタ電極とヒートスプレッダ２０とを接合する。

インバータの電気回路としては、図１（Ｃ）に示すように、半導体チップ１００ＨのＩＧＢＴ及び半導体チップ１００ＬのＩＧＢＴは、正極側Ｐと負極側Ｎとの間に直列に接続される。この際、半導体チップ１００ＨのＩＧＢＴのコレクタ電極は、正極側Ｐに接続され、半導体チップ１００ＬのＩＧＢＴのエミッタ電極は、負極側Ｎに接続される。また、半導体チップ１００ＨのＩＧＢＴのエミッタ電極と半導体チップ１００ＬのＩＧＢＴのコレクタ電極とが接続される。半導体チップ１００ＨのＩＧＢＴのエミッタ電極と半導体チップ１００ＬのＩＧＢＴのコレクタ電極との接続点、即ち上下アームの接続点Ｍは、走行用モータ駆動用のインバータのＵ相コイルの一端に接続される。尚、正極側Ｐと負極側Ｎは、典型的には、高圧バッテリ（図示せず）の正極側Ｐと負極側Ｎに対応する。高圧バッテリと走行用モータ駆動用のインバータとの間には、ＤＣ／ＤＣコンバータや平滑コンデンサ等が設けられてよい。

半導体チップ２００Ｈは、本例ではフリーホイールダイオード（ＦＷＤ：Free Wheeling Diode）を含む。半導体チップ２００Ｈは、矩形の平板状の形態を有する。半導体チップ２００Ｈは、上面にカソード電極を備え、下面にアノード電極を備える。即ち、半導体チップ２００Ｈは、アノード電極側がヒートスプレッダ２０上に接合される向きで実装される。半導体チップ２００Ｈは、下半田層５０を介してヒートスプレッダ２０の上面に接合される。半導体チップ２００Ｈに係る下半田層５０は、半導体チップ２００Ｈのアノード電極とヒートスプレッダ２０とを接合する。

インバータの電気回路としては、半導体チップ２００ＨのＦＷＤは、図１（Ｃ）に示すように、半導体チップ１００ＨのＩＧＢＴと並列に接続される。半導体チップ２００ＨのＦＷＤは、半導体チップ１００ＨのＩＧＢＴと共に上アーム（上段アーム）を形成する。

半導体チップ２００Ｌは、半導体チップ２００Ｈと同一の構成を有する。但し、半導体チップ２００Ｌは、ヒートスプレッダ２０に対して半導体チップ２００Ｈとは逆向き（裏表逆）に設けられる。具体的には、半導体チップ２００Ｌは、上面にアノード電極を備え、下面にカソード電極を備える。即ち、半導体チップ２００Ｌは、カソード電極側がヒートスプレッダ２０上に接合される向きで実装される。

半導体チップ２００Ｌは、下半田層５０を介してヒートスプレッダ２０の上面に接合される。半導体チップ２００Ｌに係る下半田層５０は、半導体チップ２００Lのカソード電極とヒートスプレッダ２０とを接合する。

インバータの電気回路としては、半導体チップ２００ＬのＦＷＤは、図１（Ｃ）に示すように、半導体チップ１００ＬのＩＧＢＴと並列に接続される。半導体チップ２００ＬのＦＷＤは、半導体チップ１００ＬのＩＧＢＴと共に下アーム（下段アーム）を形成する。

ヒートスプレッダ２０は、半導体チップ１００Ｈ，１００Ｌ，２００Ｈ，２００Ｌで発生する熱を吸収し拡散する部材である。ヒートスプレッダ２０は、例えば銅、アルミなどの熱拡散性の優れた金属から形成される。本例では、一例として、ヒートスプレッダ２０は、銅により形成される。銅としては、伝導率が銅材の中で最も高い無酸素銅(C1020)が好適である。また、ヒートスプレッダ２０は、上述の如く、半導体チップ１００Ｈのエミッタ電極等が接続され、インバータの回路の一部（図１（Ｃ）の接続点Ｍ参照）を形成する。

尚、ヒートスプレッダ２０は、図示を省略するが、絶縁層を介してヒートシンクに接合されてよい。絶縁層は、樹脂接着剤や樹脂シートから構成されてよい。絶縁層は、例えばアルミナをフィラーとした樹脂で形成されてもよい。絶縁層は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンクの間に設けられ、ヒートスプレッダ２０とヒートシンクに接合する。絶縁層は、ヒートスプレッダ２０とヒートシンクとの間の電気的な絶縁性を確保しつつ、ヒートスプレッダ２０からヒートシンクへの高い熱伝導性を確保する。ヒートシンクは、熱伝導性の良好な材料から形成され、例えば、アルミなどの金属により形成されてもよい。ヒートシンクは、下面側にフィンを備える。フィンの数や配列態様は任意である。フィンは、ストレートフィンであってもよいし、その他、ピンフィンの千鳥配置等で実現されてもよい。半導体装置１の実装状態では、フィンは、冷却水や冷却空気のような冷却媒体と接触する。このようにして、半導体装置１の駆動時に生じる半導体チップ１００Ｈ，１００Ｌ，２００Ｈ，２００Ｌからの熱は、ヒートスプレッダ２０、絶縁層を介して、ヒートシンクのフィンから冷却媒体へと伝達され、半導体装置１の冷却が実現される。

導体線７２は、ヒートスプレッダ２０に設けられる。導体線７２の一端は、図１（Ａ）に示すように、半導体チップ１００Ｈの端子部１０３に接続される。導体線７２の他端は、ワイヤボンディング等で制御基板（図示せず）に接続されてよい。導体線７２は、後述するが、ヒートスプレッダ２０との電気的な絶縁を図るため、ヒートスプレッダ２０上に絶縁部７０を介して設けられる。

図１に示す例では、半導体装置１は、更に、接続端子１２Ｈ，１２Ｌと、Ｐ側バスバ８１、Ｎ側バスバ８２と、出力バスバ８３とを含む。

接続端子１２Ｈは、上アームの半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ２００Ｈに対して設けられ、接続端子１２Ｌは、下アームの半導体チップ１００Ｌ及び半導体チップ２００Ｌに対して設けられる。接続端子１２Ｈ，１２Ｌは、側面視で、図１（Ｂ）に示すように、上向きに凸形状をなす形状を有する。接続端子１２Ｈは、ヒートスプレッダ２０の上面から上方に離間した上部１２１Ｈと、ヒートスプレッダ２０の上面に平行に延在する２つの接続部１２２Ｈと、上部１２１Ｈ及び２つの接続部１２２Ｈを繋ぐ上下方向の脚部１２３Ｈとを含む。同様に、接続端子１２Ｌは、ヒートスプレッダ２０の上面から上方に離間した上部１２１Ｌと、ヒートスプレッダ２０の上面に平行に延在する２つの接続部１２２Ｌと、上部１２１Ｌ及び２つの接続部１２２Ｌを繋ぐ上下方向の脚部１２３Ｌとを含む。

上アームに係る接続端子１２Ｈは、半導体チップ１００Ｈのコレクタ電極及び半導体チップ２００Ｈのカソード電極に上半田層５１を介してそれぞれ固着（接合）される。即ち、接続端子１２Ｈの２つの接続部１２２Ｈは、それぞれ、半導体チップ１００Ｈのコレクタ電極及び半導体チップ２００Ｈのカソード電極に接合される。上アームに係る接続端子１２Ｈの上部１２１Ｈには、Ｐ側バスバ８１が、例えばレーザ溶接により、接合される。

下アームに係る接続端子１２Ｌは、下アームの半導体チップ１００Ｌのエミッタ電極及び半導体チップ２００Ｌのアノード電極に上半田層５１を介してそれぞれ固着（接合）される。即ち、下アームに係る接続端子１２Ｌの２つの接続部１２２Ｌは、それぞれ、下アームの半導体チップ１００Ｌのエミッタ電極及び半導体チップ２００Ｌのアノード電極に接合される。下アームに係る接続端子１２Ｌの上部１２１Ｌには、Ｎ側バスバ８２が、例えばレーザ溶接により、接合される。

Ｐ側バスバ８１は、半導体装置１の正極側Ｐを高圧バッテリの正極に接続するために設けられる。Ｎ側バスバ８２は、半導体装置１の負極側Ｎを高圧バッテリの負極に接続するために設けられる。出力バスバ８３は、半導体装置１の出力側Ｕを走行用モータに接続するために設けられる。図１に示す例では、出力バスバ８３は、半導体装置１の出力端子Ｕを走行用モータのＵ相コイルの一端に接続する。尚、Ｐ側バスバ８１、Ｎ側バスバ８２及び出力バスバ８３は、樹脂材料により一体化されたモジュール構造であってもよい。

ここで、図１に示す例では、上アームの半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ２００Ｈと、下アームの半導体チップ１００Ｌ及び半導体チップ２００Ｌとは、同一（共通）のヒートスプレッダ２０に設けられる。ヒートスプレッダ２０には、半導体チップ１００Ｈのエミッタ電極と、半導体チップ２００Ｈのアノード電極と、半導体チップ１００Ｌのコレクタ電極と、半導体チップ２００Ｌのカソード電極とが、それぞれ接合される。図１（Ｃ）に示すように、半導体チップ１００Ｈのエミッタ電極と、半導体チップ２００Ｈのアノード電極と、半導体チップ１００Ｌのコレクタ電極と、半導体チップ２００Ｌのカソード電極とは、等電位（接続点Ｍの電位）である。従って、ヒートスプレッダ２０は、接続点Ｍの電位を持つ。このように、図１に示す例によれば、単一のヒートスプレッダ２０を用いて上下アームを形成することができる。

また、図１に示す例では、ヒートスプレッダ２０は、上述の如く、上下アームの接続点Ｍの電位を持つので（出力端子Ｕを形成するので）、出力バスバ８３は、ヒートスプレッダ２０の任意の箇所に接続することができる。即ち、出力バスバ８３の配置の自由度が高くなるので、Ｐ側バスバ８１及びＮ側バスバ８２の配置の自由度を高めることができる。これにより、回路の低インダクタンス化を図ることができる。尚、Ｐ側バスバ８１及びＮ側バスバ８２の好ましい構成例については、後述する。

尚、インバータの動作時は、半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ１００Ｌを含む各相のスイッチング素子は、コントローラ（図示せず）による制御下で、オン／オフ切換制御されてよい。典型的には、三相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと所定周期のキャリア信号（例えば、三角波状の搬送波）とを電圧比較した結果に基づいて、インバータの上下アームのオン／オフを指令する制御信号（具体的には、パルス幅が変調するＰＷＭ信号）が生成される。尚、三相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、互いに等振幅を有しかつ位相が電気角１２０°ずつずれた信号であってよい。

図２は、比較例との対比で、図１に示した半導体装置１を示す上面図であり、（Ａ）は、比較例を示す、（Ｂ）は、図１に示した半導体装置１（本実施例）を示す。尚、図２においては、比較例についてのみ断面図も併せて示す。

比較例では、図２（Ａ）に示すように、上アームのＩＧＢＴ、及び、下アームのＩＧＢＴは、共にコレクタ電極がヒートスプレッダ側に来る向きで実装されている。また、同様に、上アームのフリーホイールダイオード、及び、下アームのフリーホイールダイオードは、共にカソード側がヒートスプレッダ側に来る向きで実装されている。これに伴い、ヒートスプレッダが上下アームでそれぞれ必要となっている。かかる比較例では、上アームのヒートスプレッダは、正極側Ｐの電位となり、下アームのヒートスプレッダは、出力端子の電位（接続点Ｍの電位）となり、等電位でない。このため、上アームのヒートスプレッダと下アームのヒートスプレッダとは、互いに対して所定の絶縁距離ΔＬ１だけ離間する必要がある。この結果、半導体装置全体として長さＬ１が大きくなる。

これに対して、本実施例によれば、上述の如く、単一のヒートスプレッダ２０を用いて上下アームを形成することができるので、比較例で必要となる所定の絶縁距離ΔＬ１は不要となり、少なくともその分だけ半導体装置全体として長さＬ２を低減することができる。また、本実施例によれば、図２（Ｂ）に示すように、同一のヒートスプレッダ２０上に配置される半導体チップ２００Ｈと半導体チップ２００Ｌとの間の距離ΔＬ２を最小化することで、半導体装置全体として長さＬ２を大幅に低減することが可能である。

また、比較例では、図２（Ａ）に示すように、出力バスバは、上アームのＩＧＢＴのエミッタ電極及びフリーホイールダイオードのアノード電極と、下アームのヒートスプレッダ（図２に示す例では、下アームのヒートスプレッダに半田を介して接合された電極端子）とを接続する構成となる。かかる構成の場合、出力バスバの長さが長くなり、インダクタンスが大きくなる。

これに対して、本実施例によれば、上述の如く、ヒートスプレッダ２０自体が出力端子Ｕを形成するので、インダクタンスを低減することができる。即ち、ヒートスプレッダ２０で上下アームを繋ぐことになり、図２（Ａ）の出力バスバで上下アームを繋ぐよりも、インダクタンスを低減することができる。

尚、本実施例では、半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ１００Ｌは、各端子部１０３からの信号線の取り出しの作業性を考慮して、半導体チップ２００Ｈ及び半導体チップ２００Ｌよりも外側（長さ方向Ｌで外側）に配置されている。しかしながら、半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ２００Ｈは、長さ方向Ｌで逆に配置されてもよいし、及び／又は、半導体チップ１００Ｌ及び半導体チップ２００Ｌは、長さ方向Ｌで逆に配置されてもよい。

また、本実施例では、半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ１００Ｌは、各端子部１０３からの信号線の取り出しの作業性を考慮して、各端子部１０３が外側（長さ方向Ｌで外側）になる向きに配置されている。しかしながら、半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ１００Ｌの向きは任意であり、逆であってもよいし、９０度回転した向きであってもよい。

また、本実施例では、半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ２００Ｈと、半導体チップ１００Ｌ及び半導体チップ２００Ｌとは、長さ方向Ｌに並んで配置されている。しかしながら、半導体チップ１００Ｈ及び半導体チップ２００Ｈと、半導体チップ１００Ｌ及び半導体チップ２００Ｌとは、横方向（長さ方向Ｌに垂直な方向）に並んで配置されてもよいし、配置態様は任意である。

次に、導体線７２の構成について図３を参照して詳説する。図３は、図１（Ｂ）のＹ部の拡大図である。

図３に示す例では、ヒートスプレッダ２０は、凹部２２を備える。凹部２２は、図３に示すように、好ましくは、ヒートスプレッダ２０の端面２１（長さ方向Ｌでの端面）側で開口するが、開口していなくてもよい。凹部２２には、絶縁部７０が形成される。尚、凹部２２がヒートスプレッダ２０の端面２１側で開口する場合には、ヒートスプレッダ２０と絶縁部７０上の導体線７２（又は導体線７２に接続されうるボンディングワイヤ）との間の電気的な絶縁の信頼性を高めることができる。

絶縁部７０は、ヒートスプレッダ２０と、半導体チップ１００Ｈの端子部１０３及び導体線７２との間を電気的に絶縁するために設けられる。絶縁部７０は、任意の方法で形成されてもよいが、例えば溶射により形成されてもよい。例えば、絶縁部７０は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム），ＳｉＮ（窒化ケイ素），Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム、アルミナ）等を用いてセラミック溶射により形成されてもよい。絶縁部７０は、図３に示すように、凹部２２の底面（ヒートスプレッダ２０の表面に平行な表面）に形成される底部７０ａと、凹部２２の壁面に形成される壁部７０ｂとを含んでよい。

導体線７２は、ヒートスプレッダ２０から電気的に絶縁される態様で、絶縁部７０上に形成される。図１に示す例では、導体線７２は、半導体チップ１００Ｈの端子部１０３の真下まで延在する。導体線７２の端子部１０３側の端部は、絶縁部７０の壁部７０ｂよりヒートスプレッダ２０（又は半導体チップ１００Ｈのエミッタ電極１０１及びその下方の下半田層）に対して電気的に絶縁される。尚、導体線７２の端子部１０３側の端部とヒートスプレッダ２０（又は半導体チップ１００Ｈのエミッタ電極１０１及びその下方の下半田層）との間の距離（長さ方向Ｌの距離）が十分確保できる場合は、絶縁部７０の壁部７０ｂは省略されてもよい。導体線７２は、任意の方法で形成されてもよいが、例えばＣｕを用いて溶射により形成されてもよい。尚、導体線７２は、図１（Ａ）に示すように、半導体チップ１００Ｈの端子部１０３の端子数分の個数だけ形成されてもよい。

尚、絶縁部７０及び導体線７２は、好ましくは、導体線７２の上面がヒートスプレッダ２０（凹部２２以外の部分）の表面と同一高さに来るように、形成される。これにより、下半田層５０及び下半田層５３の厚みが同一になるので、水平面に対する半導体チップ１００Ｈの傾きを低減しつつ、下半田層５３を介して導体線７２と半導体チップ１００Ｈの端子部１０３とを接合することができる。

以上説明した本実施例の半導体装置１によれば、とりわけ、以下のような優れた効果が奏される。

本実施例の半導体装置１によれば、上述の如く、上下アームに対してヒートスプレッダ２０を共有化することができるので、ヒートスプレッダ２０の数と共に、半導体装置１のサイズを低減することができる。また、上述の如く、ヒートスプレッダ２０により出力端子が形成されるので、出力バスバ８３の配置の自由度及びそれに伴うＰ側バスバ８１及びＮ側バスバ８２の配置の自由度を高めることができると共に、回路の低インダクタンス化を図ることができる。

尚、本実施例の半導体装置１は、Ｕ相の上下アームを形成するが、同様の構成の２つの半導体装置と組み合わせて、インバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各上下アームを形成してもよい。この場合、半導体装置１、及び、残りの２つの半導体装置は、同一のヒートシンクに絶縁層を介して接合されてよい。

また、本実施例の半導体装置１は、ＤＣ／ＤＣコンバータの上下アームを形成するものであってもよい。この場合、出力バスバ８３は、高圧バッテリの正極側にコイルを介して接続され、Ｐ側バスバ８１及びＮ側バスバ８２は、それぞれ、インバータの正極側と負極側に接続されることになる。

また、本実施例の半導体装置１は、半導体チップ１００Ｈ、２００Ｈが１対でインバータのＵ相の上アームを形成しているが、半導体チップ１００Ｈ、２００Ｈは、２対以上でＵ相の上アームを形成してもよい。即ち、半導体チップ１００Ｈ、２００Ｈは、２対以上で並列に接続されてもよい。この場合も、２対以上の半導体チップ１００Ｈ、２００Ｈは、共通のヒートスプレッダ２０に同様に設けられてよい。これは、半導体チップ１００Ｌ、２００Ｌについても同様である。

次に、他の実施例による半導体装置２について説明する。図４は、他の実施例（実施例２）による半導体装置２を示す図であり、（Ａ）は、半導体装置２の上面視であり、（Ｂ）は、半導体装置２に含まれる１つの半導体装置１００の断面図である。

半導体装置２は、３つの半導体装置１００を含む。各半導体装置１００の構成は、以下で説明する点を除いて、上述した実施例１による半導体装置１の構成と同一である。上述した実施例１による半導体装置１と同様の構成要素については、同一の参照符合を付して説明を適宜省略する。図４においては、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０の図示は省略されている。Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０については、図５以降を参照して説明する。

半導体装置２は、３つの半導体装置１００を横方向に並べて形成される。尚、３つの半導体装置１００の配列方向は任意である。３つの半導体装置１００は、インバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各上下アームを形成してよい。３つの半導体装置１００は、共通（同一）のヒートシンクに絶縁層を介して接合されてよい。３つの半導体装置１００は、共通のＰ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０（後述）を備える点を除いて、それぞれ同一の構成を有してよい。

半導体装置１００は、下アームの接続端子１２０の構成が、上述した実施例１による半導体装置１の下アームの接続端子１２Ｌと異なる。下アームの接続端子１２０は、上アームの接続端子１２Ｈの脚部１２３Ｈよりも上下方向の長さが長い脚部１２３Ａを備える。このため、下アームの接続端子１２０の上部１２１は、上アームの接続端子１２Ｈの上部１２１Ｈよりも高い面内（上方にオフセットした面内）に延在する。

図５は、半導体装置２におけるＰ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０等の構成を示す上面図である。図５では、見易さのための便宜上、（Ａ）は、Ｐ側バスバ８１０、中間絶縁層８１５及びＮ側バスバ８２０のうち、Ｐ側バスバ８１０のみを示し、（Ｂ）は、中間絶縁層８１５のみを示し、（Ｃ）は、Ｎ側バスバ８２０のみを示す。また、図５においては、見易さのための便宜上、Ｐ側バスバ８１０、中間絶縁層８１５及びＮ側バスバ８２０は、半透明（なし地のハッチング）で図示し、Ｐ側バスバ８１０、中間絶縁層８１５及びＮ側バスバ８２０の下方の構成が半透視状態で示されている。図６は、Ｐ側バスバ８１０、中間絶縁層８１５及びＮ側バスバ８２０が配置された１つの半導体装置１００の断面図である。

Ｐ側バスバ８１０、中間絶縁層８１５及びＮ側バスバ８２０は、図６に示すように、積層構造を有する。即ち、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０は、上下方向で中間絶縁層８１５を挟んで貼り合せた構造を有する。以下、Ｐ側バスバ８１０、中間絶縁層８１５及びＮ側バスバ８２０の積層体を、バスバ積層体８００とも称する。

Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０は、図５に示すように、上面視で、各半導体装置１００の上アームの接続端子１２Ｈ及び下アームの接続端子１２０の全体を覆う範囲に延在する。

Ｐ側バスバ８１０は、図５（Ａ）に示すように、上面視で各半導体装置１００の下アームの接続端子１２０の上部１２１に対応する領域に、開口８１２を有する。各半導体装置１００の下アームの接続端子１２０の上部１２１は、図６に示すように、開口８１２を通って、Ｐ側バスバ８１０よりも上方に延在（突出）する。これにより、Ｎ側バスバ８２０と下アームの接続端子１２０とのレーザ接合が可能となる。

Ｎ側バスバ８２０は、図５（Ａ）に示すように、上面視で各半導体装置１００の上アームの接続端子１２Ｈの上部１２１Ｈに対応する領域に、開口８２２を有する。この開口８２２は、Ｐ側バスバ８１０と上アームの接続端子１２Ｈとの接合時の作業のために設けられる。この接合は、例えばレーザ溶接により実現される。レーザ溶接は、下方の部材（例えばヒートシンク等）に対して適切に位置決めしたバスバ積層体８００を治具等により下方に押し付けた状態で、バスバ積層体８００の上方からＰ側バスバ８１０に対してレーザ光を照射することにより実行されてもよい。尚、Ｐ側バスバ８１０のレーザ接合、及び、Ｎ側バスバ８２０のレーザ接合、及び、出力バスバ８３のレーザ接合（ヒートスプレッダ２０への接合）は、同時に実行されてもよいし、異なるタイミングで実行されてもよい。

中間絶縁層８１５は、絶縁紙等により形成されてよい。中間絶縁層８１５は、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０との間の電気的な絶縁を確保する。中間絶縁層８１５は、上面視でＰ側バスバ８１０の開口８１２及びＮ側バスバ８２０の開口８２２に対応した領域に、開口８１６を有する。

Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０は、好ましくは、上面視で、各半導体装置１００のヒートスプレッダ２０の外形内で同一の外形を有する。図５に示す例では、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０は、同一の外形を有する。これにより、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０の貼り合わせ面積（上下の対向面積）を最大化することができる。但し、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０は、端部の一部等において異なる外形を有してもよい。

Ｐ側バスバ８１０は、横方向の一方の端部側に端子部８１１を有する。また、Ｎ側バスバ８２０は、横方向の一方の端部側に端子部８２１を有する。端子部８１１及び端子部８２１は、横方向の同一の端部側に設けられるが、長さ方向Ｌでオフセットして形成される。

半導体装置２の動作時、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０には、逆方向に電流が流れる。この際、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０が上述の如く上下方向で対向する構成では、逆方向に電流が流れる際に発生する相互インダクタンスによりＰ側バスバ８１０とＮ側バスバ８２０のそれぞれにおけるインダクタンスが抑制される。この結果、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０において急激な電流変化が生じても、サージが発生することを抑制することができる。

以上説明した本実施例の半導体装置２によれば、とりわけ、以下のような優れた効果が奏される。

本実施例の半導体装置２によれば、上述した実施例１による半導体装置１と同様の効果が奏される。また、本実施例の半導体装置２によれば、上述の如く、Ｐ側バスバ８１０及びＮ側バスバ８２０は電流が逆方向に流れる態様で上下対向して配置されるので、発生する相互インダクタンスによりインダクタンスを抑制して、サージを低減することができる。

尚、本実施例２では、Ｐ側バスバ８１０がＮ側バスバ８２０よりも下方に延在するが、逆であってもよい。即ち、上側から、Ｐ側バスバ８１０、中間絶縁層８１５、Ｎ側バスバ８２０の順に積層されてもよい。

また、本実施例２では、Ｐ側バスバ８１０とＮ側バスバ８２０との間には、中間絶縁層８１５が設けられているが、中間絶縁層８１５は省略されてもよい。この場合、Ｐ側バスバ８１０とＮ側バスバ８２０とは、電気的な絶縁のために、上下方向で所定距離以上離される。この場合、Ｐ側バスバ８１０とＮ側バスバ８２０との間の上下方向の空間には、樹脂やシリコンゲルが充填されてもよい。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した実施例１（実施例２についても同様）において、ＩＧＢＴに代えてＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、上アームでは、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極がヒートスプレッダ２０側に来る態様で配置されればよい。また、下アームでは、ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極がヒートスプレッダ２０側に来る態様で配置されればよい。

また、上述の実施例では、ヒートスプレッダ２０を基板として使用しているが、ヒートスプレッダ２０に代えて、他の任意の基板が使用されてもよい。例えば、セラミック基板の両面にアルミ板を備えたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板や、セラミック基板の両面に銅板を備えたＤＢＣ（Direct Brazed Copper）基板が使用されてもよい。この場合、導体線７２は、導体パターンにより形成されてもよい。

また、上述の実施例では、導体線７２は、ヒートスプレッダ２０上に溶射により形成されているが、他の方法で形成されてもよい。例えば、導体線７２は、別の基板（例えばフレキシブル基板）に形成され、当該別の基板がヒートスプレッダ２０上に設けられてもよい。

また、上述の実施例では、好ましい実施例として、ＩＧＢＴと並列にフリーホイールダイオードを接続しているが、フリーホイールダイオードは省略されてもよい。また、半導体チップ１００Ｈ，１００Ｌは、フリーホイールダイオードを内蔵した逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ）を含んでよい。

また、上述の実施例１では、接続端子１２Ｈ、１２Ｌは、Ｐ側バスバ８１及びＮ側バスバ８２に直接接続されるが、ワイヤボンディング等を介してＰ側バスバ８１及びＮ側バスバ８２に接続されてもよい。

また、上述の実施例１（実施例２についても同様）では、半導体装置１は、車両用のインバータに適用されるものであったが、半導体装置１は、他の用途（鉄道、エアコン、エレベータ、冷蔵庫等）で使用されるインバータに使用されてもよい。更に、半導体装置１は、インバータ以外の装置、例えば、無線通信機の送信部の電力増幅回路に使用される高周波パワーモジュールに使用されてもよい。

１，２，１００ 半導体装置
１２Ｈ，１２Ｌ，１２０ 接続端子
２０ ヒートスプレッダ
５０ 下半田層
５１ 上半田層
５３ 下半田層
７０ 絶縁部
７２ 導体線
８１，８１０ Ｐ側バスバ
８２，８２０ Ｎ側バスバ
８１５ 中間絶縁層
８３ 出力バスバ
１００Ｈ，２００Ｈ 上アームの半導体チップ
１００Ｌ，２００Ｌ 下アームの半導体チップ

Claims (9)

1. 基板と、
   表面側に第１電極を有し、裏面側に第２電極を有する第１スイッチング素子であって、前記第１電極が前記基板側に来る向きで前記基板上に設けられる第１スイッチング素子と、
   表面側に第１電極を有し、裏面側に第２電極を有する第２スイッチング素子であって、前記第２電極が前記基板側に来る向きで前記基板上に設けられる第２スイッチング素子と、
   前記基板に設けられ、前記第１スイッチング素子の信号端子に接続される導体線とを備える、半導体装置。
2. 前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子は、正極側と負極側との間に直列に接続され、
   前記第１スイッチング素子の前記第１電極は、前記第２スイッチング素子の前記第２電極に接続される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記導体線は、前記基板上に形成される、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記第１スイッチング素子の前記第２電極に接合される第１接続端子と、
   前記第１接続端子に接合される第１バスバと、
   前記第２スイッチング素子の前記第１電極に接合される第２接続端子と
   前記第２接続端子に接合される第２バスバと、
   前記基板に接合される第３バスバとを含む、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１バスバ及び前記第２バスバは、中間絶縁層を介して積層される、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第１バスバ及び前記第２バスバは、前記基板に対して垂直方向に視た上面視で、前記基板内において同一の外形を有する、請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記基板は、ヒートスプレッダであり、
   前記導体線は、前記ヒートスプレッダ上に絶縁部を介して形成される、請求項３に記載の半導体装置。
8. 前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子は、共にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、前記第１電極は、エミッタ電極であり、前記第２電極は、コレクタ電極である、請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 前記第１スイッチング素子に並列に設けられる第１フリーホイールダイオードと、
   前記第２スイッチング素子に並列に設けられる第２フリーホイールダイオードとを含み、
   前記第１フリーホイールダイオードは、アノード電極が前記基板側に来る向きで前記基板上に設けられ、
   前記第２フリーホイールダイオードは、カソード電極が前記基板側に来る向きで前記基板上に設けられる、請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の半導体装置。

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