JP2022064644A - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部装置への熱の伝達を抑制しつつ特性が改善された半導体装置および当該半導体装置を用いた電力変換装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、半導体素子４と、導電経路部材３と、導電線１２とを備える。導電経路部材３は、半導体素子４と接続されている。導電経路部材３は、括れ部１１と、第１領域３ａと、第２領域３ｂとを含む。括れ部１１の断面積は、導電経路部材３において括れ部１１を挟むように配置される第１領域および第２領域の断面積より小さい。導電線１２は、括れ部１１を跨ぐように、第１領域３ａと第２領域３ｂとを接続する。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体装置および電力変換装置に関する。

従来、電力変換装置などに用いられる半導体装置が知られている。当該半導体装置に関して、半導体装置が接続される外部装置の健全性を確保する観点から、当該外部装置への熱の伝達を抑制することが求められる。このような目的ため、半導体素子に接続されたリード部において、当該リード部の長手方向に沿って断面積が局所的に減少した括れ部が設けられた半導体装置が知られている（たとえば、特開２０２０－９６０８５号公報参照）。

特開２０２０－９６０８５号公報

半導体装置においては、高電圧化または大電流化といった要請がある。この場合、上述のようにリード部に括れ部が形成された半導体装置では、当該括れ部の存在に起因して半導体装置の高電圧化または大電流化といった特性の改善に支障を来す可能性がある。この結果、外部装置への熱の伝達を抑制しつつ大電流化といった特性の改善を行うことは困難であった。

本開示の目的は、外部装置への熱の伝達を抑制しつつ特性が改善された半導体装置および当該半導体装置を用いた電力変換装置を提供することである。

本開示に係る半導体装置は、半導体素子と、導電経路部材と、導電線とを備える。導電経路部材は、半導体素子と接続されている。導電経路部材は、括れ部と、第１領域と、第２領域とを含む。括れ部の断面積は、導電経路部材において括れ部を挟むように配置される第１領域および第２領域の断面積より小さい。導電線は、括れ部を跨ぐように、第１領域と第２領域とを接続する。

本開示に係る電力変換装置は、主変換回路と制御回路とを備える。主変換回路は、上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。制御回路は、主変換回路を制御する制御信号を主変換回路に出力する。

上記によれば、外部装置への熱の伝達を抑制しつつ特性が改善された半導体装置および当該半導体装置を用いた電力変換装置を実現できる。

実施の形態１に係る半導体装置の上面模式図である。 図１の線分ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。 図２の領域ＩＩＩにおける部分平面模式図である。 図３の線分ＩＶ－ＩＶにおける断面模式図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す部分平面模式図である。 図５の線分ＶＩ－ＶＩにおける断面模式図である。 実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す部分平面模式図である。 図７の線分ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩにおける断面模式図である。 実施の形態２に係る半導体装置の断面模式図である。 図９の領域Ｘにおける部分平面模式図である。 実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す部分平面模式図である。 実施の形態３に係る半導体装置の断面模式図である。 実施の形態４に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。また、Ｚ方向が鉛直方向、ＸＹ面が水平面となるように、ＸＹＺ直交座標を規定する。また、方向に正負の符号を付ける場合は、＋Ｘ、＋Ｙおよび＋Ｚ方向が各図に示した直交座標の矢印方向を指すものとして以下で説明する。

実施の形態１．
＜半導体装置の構成＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の上面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。図３は、図２の領域ＩＩＩにおける部分平面模式図である。図４は、図３の線分ＩＶ－ＩＶにおける断面模式図である。

図１から図４に示した半導体装置１００は、半導体素子４と、ヒートシンク１と、絶縁シート２と、パワーリードである複数の導電経路部材３と、導電線１２と、制御リードである複数の制御端子部材５と、制御用素子６と、パワーワイヤ８と、信号ワイヤとしての素子用導電線９と、制御ワイヤ１０と、封止樹脂７とを主に備える。ヒートシンク１は、たとえばXY平面に平行に配置された板状の形状を有する。なおヒートシンク１の形状は上述した板状に限らず任意の形状とすることができる。ヒートシンク１の上部表面上に絶縁シート２が配置されている。絶縁シート２上に導電経路部材３が配置されている。導電経路部材３は、ダイパッドであるパッド部３０と、リード部３３とを含む。パッド部３０は平板状の形状を有する。リード部３３はパッド部３０に接続されている。リード部３３は、内部パワーリード３１と外部パワーリード３２とを含む。内部パワーリード３１はパッド部３０に接続されている。外部パワーリード３２は、内部パワーリード３１においてパッド部３０と接続された側と反対側に接続されている。

導電経路部材３のパッド部３０には、半導体素子４が接合部材としてのはんだによって接続されている。なお、半導体素子４とパッド部３０との接合部材としては、はんだに限らず、銀ペースト等のダイボンド材を用いてもよい。

導電経路部材３の内部パワーリード３１は、図３および図４に示すように括れ部１１と、第１領域３ａと、第２領域３ｂとを含む。括れ部１１の断面積は、導電経路部材３の内部パワーリード３１において括れ部１１を挟むように配置される第１領域および第２領域の断面積より小さい。導電線１２は、括れ部１１を跨ぐように、第１領域３ａと第２領域３ｂとを接続する。なお、括れ部１１および導電線１２の構成の詳細については後述する。

半導体素子４は、素子用導電線９を介して制御端子部材５と電気的に接続されている。また、半導体素子４は、パワーワイヤ８を介して内部パワーリード３１と電気的に接続されている。

制御端子部材５は、絶縁シート２と間隔を隔てて配置されている。制御端子部材５は内部制御リード５１と外部制御リード５２とを含む。内部制御リード５１の上部表面には、接合部材としてのはんだを介して制御用素子６が接続されている。制御用素子６は、制御ワイヤ１０を介して内部制御リード５１と電気的に接続されている。なお、制御用素子６と内部制御リード５１との接合部材としては、はんだに限らず、銀ペースト等のダイボンド材を用いてもよい。

封止樹脂７は、半導体素子４と、導電経路部材３のパッド部３０および内部パワーリード３１と、制御用素子６と、内部制御リード５１と、導電線１２とを少なくとも封止する。導電経路部材３の一部および制御端子部材５の一部は封止樹脂７の外部に突出する部分を含む。外部パワーリード３２および外部制御リード５２は封止樹脂７の外部に露出している。なお、本明細書においては、上述したパワーリードおよび制御リードを総称してリードと呼ぶことがある。ヒートシンク１の放熱面（ヒートシンク１において絶縁シート２が接続された表面と反対側の面）は封止樹脂７から露出している。封止樹脂７はトランスファーモールド成形されている。

上述した半導体装置１００の構成をより詳しく説明する。ヒートシンク１は、例えば放熱フィン（図示せず）等を取り付けることにより、半導体装置１００の内部で発生した熱を外部へ放熱する。ヒートシンク１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）にマグネシウム（Ｍｇ）またはマンガン（Ｍｎ）を添加した合金で構成される。なお、ヒートシンク１の材料は、他の金属でもよいし、金属に限らず熱伝導率が高い無機物または有機物でもよい。

絶縁シート２は、たとえば絶縁性フィラーと樹脂とによって構成されるシートである。絶縁シート２はヒートシンク１の上部表面に接合されている。なお、絶縁シート２の代わりとして、セラミック基板、または層間に絶縁性部材を挟んだ金属基板、またはガラスエポキシ基板等を用いてもよい。

パワーリードとしての導電経路部材３は、たとえば銅（Ｃｕ）によって形成されている。導電経路部材３のパッド部３０および内部パワーリード３１は、境界線を示す図２のＢ－Ｂ線より封止樹脂７側に位置し、封止樹脂７の内部に封止して設けられる。導電経路部材３の外部パワーリード３２は、図２のＢ－Ｂ線より外側に位置し、＋Ｘ方向に向かって封止樹脂７から外部へ突出する。外部パワーリード３２の先端部は、半導体装置１００において、ヒートシンク１が設けられた側とは反対側である＋Ｚ方向へと屈曲している。導電経路部材３において、少なくとも外部パワーリード３２の表面にはＳｎめっき層が形成されている。

半導体素子４は、たとえばＳｉ（シリコン）を半導体材料とするＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ／絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）である。半導体素子４は、上述のように導電経路部材３のパッド部３０上にはんだによって接合されている。また、半導体素子４のゲート電極は、パワーワイヤ８によって内部パワーリード３１に、素子用導電線９によって内部制御リード５１に、それぞれ電気的に接続される。制御用素子６と半導体素子４とは、素子用導電線９を介して互いに信号の送受信を行う。

なお、本実施の形態では、半導体素子４としてＩＧＢＴを備える半導体装置について説明するが、半導体素子４はこれに限られるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ／金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）またはダイオード等を半導体素子４として用いてもよい。また、本実施の形態では、半導体素子４がＳｉを半導体材料とする例について説明するが、半導体材料はこれに限られるものではなく、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）またはダイヤモンド（Ｃ）のようなワイドバンドギャップ半導体材料を半導体素子４の材料としてもよい。

制御端子部材５は、たとえば銅（Ｃｕ）によって形成されている。制御端子部材５の内部制御リード５１は、図２のＣ－Ｃ線で示す境界線より封止樹脂７側に位置し、封止樹脂７の内部に設けられる。制御端子部材５の外部制御リード５２は、図２のＣ－Ｃ線より外側（封止樹脂７が位置する側と反対側）に位置し、－Ｘ方向へ向かって封止樹脂７から外部へ突出する。内部制御リード５１は、たとえば平板状の形状を有する。外部制御リード５２の先端部は、＋Ｚ方向へと屈曲している。制御端子部材５において、少なくとも外部制御リード５２の表面にはＳｎめっき層が形成されている。

封止樹脂７は、たとえばトランスファーモールドによって成形される。封止樹脂７は、例えば、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂またはアクリル樹脂等の絶縁性を有する樹脂、あるいはこれらいずれかの樹脂にフィラーが分散された絶縁性複合材料で形成される。

次に、本実施の形態に係る半導体装置１００の括れ部１１と導電線１２との構成について、図３および図４を用いて説明する。図３では、図２の本実施の形態に係る半導体装置１００の矢印Ｚ１で示す方向から見た領域ＩＩＩの内部パワーリード３１を示している。

図３および図４に示すように、半導体装置１００は、内部パワーリード３１の一部が細く括れた括れ部１１を備える。括れ部１１は、内部パワーリード３１の延在方向に垂直な幅方向において中央部に配置されている。異なる観点から言えば、内部パワーリード３１の幅方向における両側に切欠き部が形成されることで、幅方向の中央部に位置する残存部が括れ部１１となっている。これにより、半導体素子４から外部パワーリード３２への伝熱経路の断面積が括れ部１１において減少する。この結果、半導体素子４で発生した熱が外部パワーリード３２へ伝達することを抑制することができる。

一方、内部パワーリード３１上に括れ部１１を形成することで内部パワーリード３１の断面積が減り、結果的に電流経路の断面積が減少する（通電能力が低下する）という問題が発生する。これを解決するため、本実施の形態では括れ部１１を跨ぐように導電線１２を接合している。これにより、電流経路のトータルの断面積を増加させる（通電能力を向上させる）ことができる。

導電線１２の本数は特に限定されない。ただし、括れ部１１を跨ぐために使用する導電線１２の材料は、導電経路部材３を構成する材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材質、例えばアルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金などで有ることが好ましい。また、導電線１２の総断面積は、括れ部１１の断面積より小さいことが好ましい。これらにより、半導体素子４で発生した熱が外部パワーリード３２へ伝達することを抑制できる。

また、導電線１２は括れ部１１を跨ぐように配置されることから、導電線１２を括れ部１１の補強部材として作用させることができる。なお、図２および図３に示すように、導電線１２において括れ部１１上に配置された中央部分が括れ部１１から離れるように、導電線１２は屈曲しているが、導電線１２が直線状の形状であってもよい。つまり、導電線１２が括れ部１１の表面に接触していてもよい。

図５および図７は、実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す部分平面模式図である。図６は、図５の線分ＶＩ－ＶＩにおける断面模式図である。図８は、図７の線分ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩにおける断面模式図である。なお、図５および図７は図３に対応し、図６および図８は図４に対応する。

図５および図６に示した半導体装置は、基本的に図１から図４に示した半導体装置１００と同様の構成を備えるが、内部パワーリード３１における括れ部１１と導電線１２との配置が図１から図４に示した半導体装置１００と異なっている。すなわち、図５および図６に示した半導体装置では、括れ部１１と導電線１２とが内部パワーリード３１の平面視において重ならないように配置されている。図５および図６から分かるように、括れ部１１は内部パワーリード３１の幅方向（Ｙ方向）における一端側（＋Ｙ方向側）に配置されている。一方、導電線１２は、内部パワーリード３１の幅方向における他端側（－Ｙ方向側）に配置されている。

ここで、括れ部１１と重なる位置に導電線１２を接合すると、導電線１２のサイズによっては、封止樹脂７による封止工程において、括れ部１１と導電線１２との間に樹脂が未充填となり、ボイドが形成される可能性がある。そこで、図５および図６に示すように、例えば図４（Ａ）に示すようにくびれを内部パワーリード３１の＋Ｙ方向側に、ワイヤを－Ｙ方向側に設けても良い。これにより、樹脂が未充填となる領域の発生を抑制し、ボイドの発生を低減することができる。なお、図５および図６に示した導電線１２は図２から図４に示した導電線１２と同様に屈曲している。つまり図５および図６に示した導電線１２において、導電経路部材の第１領域３ａおよび第２領域３ｂに接続された両端部に挟まれた中央部分（括れ部１１と対向する部分）が括れ部１１の表面から離れるように、導電線１２は屈曲している。しかし、図５および図６に示した構成において導電線１２は直線状の形状であってもよい。つまり、導電線１２の中央部分が括れ部１１の表面と同じ高さに配置されていてもよい。

図７および図８に示した半導体装置は、基本的に図１から図４に示した半導体装置１００と同様の構成を備えるが、内部パワーリード３１における括れ部１１と導電線１２との配置および導電線１２の数が図１から図４に示した半導体装置１００と異なっている。すなわち、図７および図８に示した半導体装置では、括れ部１１の配置は図１から図４に示した半導体装置１００における括れ部１１の配置と同様であるが、複数の導電線１２が括れ部１１と重ならない位置に配置されている。図７および図８から分かるように、2本の導電線１２が、導電経路部材３の幅方向（Ｙ方向）において括れ部１１を挟むように配置されている。異なる観点から言えば、括れ部１１から見て幅方向の一端側（＋Ｙ方向側）に第１の導電線１２が配置され、括れ部１１から見て幅方向の他端側（－Ｙ方向側）に第２の導電線１２が配置されている。

このような構成によっても、図５および図６に示した半導体装置と同様の効果を得ることができる。さらに、複数の導電線１２を配置する場合、これらの導電線１２が密集すると、封止樹脂７による封止工程において導電線１２の下側にボイドが発生する可能性がある。そこで、複数の導電線１２を、互いに間隔を隔てて（たとえば括れ部１１をはさむ様に間隔を隔てて）配置することで、上記ボイドの発生を抑制できる。なお、図７および図８に示した導電線１２は図２から図４に示した導電線１２と同様に屈曲しているが、当該導電線１２は直線状の形状であってもよい。

＜作用効果＞
本開示に係る半導体装置１００は、半導体素子４と、導電経路部材３と、導電線１２とを備える。導電経路部材３は、半導体素子４と接続されている。導電経路部材３は、括れ部１１と、第１領域３ａと、第２領域３ｂとを含む。括れ部１１の断面積は、導電経路部材３において括れ部１１を挟むように配置される第１領域および第２領域の断面積より小さい。導電線１２は、括れ部１１を跨ぐように、第１領域３ａと第２領域３ｂとを接続する。

ここで、括れ部１１とは、導電経路部材３において隣接する領域（第１領域３ａおよび第２領域３ｂ）より断面積が小さくなっている部分を意味し、たとえば導電経路部材３の平面視において幅が局所的に狭くなっている部分を括れ部１１としてもよい（第１領域３ａから第２領域３ｂに向かう方向に垂直な幅方向において、第１領域３ａおよび第２領域３ｂの幅より括れ部１１の幅が狭くなっていてもよい）。あるいは、導電経路部材３の厚みに関して、括れ部１１の厚みが第１領域３ａおよび第２領域３ｂの厚みより薄くなっていてもよい。また、括れ部１１の断面積、第１領域３ａの断面積および第２領域３ｂの断面積は、第１領域３ａから第２領域３ｂに向かう方向に垂直な断面における面積である。

このようにすれば、半導体装置１００において、内部パワーリード３１の一部が細くくびれた括れ部１１を備える。

このように、本実施の形態の半導体装置１００は、括れ部１１を跨ぐように導電線１２を導電経路部材３に接合することで、半導体素子４から当該導電経路部材３の先端側への熱の伝達を抑制するとともに、導電経路部材３における電流経路を増加させる（通電能力を向上させる）ことにより大電流化といった特性の改善が可能となる、という効果を奏する。

また、本実施の形態の半導体装置１００では、括れ部１１を跨ぐように導電線１２を導電経路部材３に接合するため、当該導電線１２も放熱部として作用する。このため、導電線１２が配置されていない場合より導電経路部材３での放熱部が分散して配置されることになり、効率的な放熱が可能となる。この結果、導電経路部材３（たとえば括れ部１１から見てパッド部３０と反対側に位置する外部パワーリード３２）の温度上昇を抑制できる。

また、上記半導体装置１００では、括れ部１１を跨ぐように導電線１２を導電経路部材３に接合するため、括れ部１１の機械強度を向上させる補強材として導電線１２を作用させることができる。

上記半導体装置１００において、導電線１２を構成する材料の熱伝導率は、導電経路部材３を構成する材料の熱伝導率より低い。

この場合、導電線１２を介した熱の伝達を抑制できる。このため、半導体素子４から発生した熱が、括れ部１１から見て半導体素子４と反対側の領域（外部パワーリード３２）に導電線１２を介して伝わることを抑制できる。

上記半導体装置１００において、導電線１２の断面積は括れ部１１の断面積より小さくてもよい。導電線１２の断面積とは、導電線１２の延在方向に対して垂直な断面における導電線１２の面積である。

上記半導体装置１００において、導電経路部材３は、パッド部３０とリード部３３とを含む。パッド部３０には半導体素子４が接続されている。リード部３３は、パッド部３０に接続されている。括れ部１１はパッド部３０およびリード部３３の少なくともいずれか一方に形成されている。リード部３３は、半導体装置１００を外部と接続する外部リード（外部パワーリード３２）と、当該外部リードよりパッド部３０側に位置し、パッド部３０に接続された内部リード（内部パワーリード３１）とを含んでいてもよい。括れ部１１は、パッド部３０に形成されていてもよいし、内部リードに形成されていてもよい。括れ部１１はパッド部３０と内部リードとの両方に形成されてもよい。

この場合、半導体素子４からパッド部３０およびリード部３３への熱の伝達を抑制するとともに、導電経路部材３におけるパッド部３０またはリード部３３での電流経路を増加させる（通電能力を向上させる）ことにより大電流化といった特性の改善が可能となる。

上記半導体装置１００は、半導体素子４と直接接続された素子用導電線９を備える。導電線１２を構成する材料と素子用導電線９を構成する材料とは異なる。つまり、導電線１２と素子用導電線９とは互いに異なる材料により構成される。たとえば、素子用導電線９を構成する材料を金、銅、または銅合金などの金属としてもよい。

この場合、素子用導電線９については導電線１２と求められる特性が異なるため、導電線１２を構成する材料とは独立して材料を選択することで、半導体装置の設計の自由度を大きくできる。

上記半導体装置１００は、封止樹脂７を備える。封止樹脂７は、半導体素子４と導電経路部材３の少なくとも一部と導電線１２とを封止する。導電経路部材３の平面視において、導電線１２は括れ部１１と重ならない位置に配置されている。

この場合、封止樹脂７による封止工程において、導電線１２と括れ部１１との間にボイドが発生するといった問題の発生を抑制できる。

実施の形態２．
＜半導体装置の構成＞
図９は、実施の形態２に係る半導体装置の断面模式図である。図１０は、図９の領域Ｘにおける部分平面模式図である。図１０は、図９の矢印Ｚ２で示す方向から見た領域Ｘ内のパッド部３０および内部パワーリードを示している。

図９および図１０に示した半導体装置１００は、基本的に図１から図４に示した半導体装置１００と同様の構成を備えるが、括れ部１１がパッド部３０に形成されている点、導電線１２がパッド部３０と内部パワーリードの平面部３１ｂとを接続している点が、図１から図４に示した半導体装置１００と異なっている。すなわち、図９および図１０に示した半導体装置では、括れ部１１がパッド部３０においてリード部３３と接続される部分に形成されている。異なる観点から言えば、パッド部３０とリード部３３との境界となるＤ－Ｄ線から見て－Ｘ方向側（パッド部３０側）に括れ部１１が形成されている。括れ部１１を跨ぐように、導電線１２が配置されている。

リード部３３は、内部パワーリードと外部パワーリード３２とを含む。内部パワーリードは、傾斜部３１ａと、平面部３１ｂとを含む。平面部３１ｂは、絶縁シート２から離れるとともに、絶縁シート２の表面と平行に延びる平板状の形状を有する。パッド部３０と内部パワーリードの平面部３１ｂとは、傾斜部３１ａにより接続されている。つまり、導電経路部材３には、パッド部３０と接続されたリード部３３において傾斜部３１ａを含む段差部が形成されている。傾斜部３１ａと平面部３１ｂとの境界となるＥ－Ｅ線から見て＋Ｘ方向側（平面部３１ｂ側）と、パッド部３０において括れ部１１より－Ｘ方向側とを接続するように導電線１２が設けられている。異なる観点から言えば、導電線１２は括れ部１１と段差部とを跨ぐように、導電経路部材３に接続されている。

図９および図１０に示した半導体装置１００における導電線１２は、なるべく屈曲させることなく、可能な限り直線的な形状とすることが好ましい。これにより、導電線１２の電気抵抗値を低減できる。このため、括れ部１１を介してパッド部３０から平面部３１ｂにまで電流が流れる場合の電気抵抗値より導電線１２の電気抵抗値を低くすることができる。この結果、括れ部１１より導電線１２を電流が優先的に流れるようにすることができる。

ここで使用する導電線１２を構成する材料の熱伝導率は、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム合金など、導電経路部材３を構成する材料の熱伝導率より低いことが好ましい。また、導電線１２の断面積は、括れ部１１の断面積より大きくすることが好ましい。このようにすれば、ワイヤで発生するジュール熱を低減し、さらにワイヤの放熱性を上げることが可能となる。

なお、括れ部１１と導電線１２との相対的な位置関係は、図９および図１０に示すように括れ部１１と導電線１２とが平面視において重なるようにしてもよいし、図５から図８に示したいずれかの構成としてもよい。

図１１は、実施の形態２に係る半導体装置の変形例を示す部分平面模式図である。図１１に示した半導体装置は、基本的には図９および図１０に示した半導体装置１００と同様の構成を備えるが、括れ部１１の構成が図９および図１０に示した半導体装置１００と異なっている。図１１に示した半導体装置では、括れ部１１が切断部１１ａにおいて切断されている。切断部１１ａは、たとえばレーザ光を照射することで括れ部１１を局所的に溶断することで形成してもよい。括れ部１１の切断は、括れ部１１を跨ぐように導電線１２を導電経路部材３に接続した後実施してもよい。この結果、パッド部３０（図９参照）とリード部３３とは導電線１２によってのみ電気的に接続されている。

図１１のような構成とすることで、括れ部１１を含む電流経路は無くなるが、括れ部１１を含む電流経路より距離の短い導電線１２を含む電流経路を介して電流を流すことができる。ここで、導電線１２を構成する材料の熱伝導率を、導電経路部材３を構成する材料の熱伝導率と同様またはそれ以下とする。この結果、導電線１２自体のジュール熱発生を抑制することに繋がる。よって、括れ部１１を電流経路とした場合よりも、外部パワーリード３２の温度を低減することができる。

＜作用効果＞
上記半導体装置１００において、導電経路部材３は段差部を有する。導電線１２は、段差部と括れ部１１とを跨ぐように、導電経路部材３に接続されている。導電線１２は直線状の形状を有する。つまり、導電線１２は屈曲していない。ここで、導電線１２が直線状の形状を有するとは、明確な屈曲部を有さないという意味であり、直線である場合に加えて、わずかに曲がっている状態も含むものとする。導電線１２が接続された導電経路部材３の２カ所の間の延面距離より、導電線１２の長さが短ければよい。

この場合、導電線１２をパッド部３０上から内部パワーリードの平面部３１ｂ上まで直線的に配置することで、導電経路部材３の括れ部１１を経由する導電経路より導電線１２を介した電流経路の長さを短くすることができる。このため、導電線１２で発生するジュール熱を低減できる。

実施の形態３．
＜半導体装置の構成＞
図１２は、実施の形態３に係る半導体装置の断面模式図である。図１２に示した半導体装置１００は、基本的に図１から図４に示した半導体装置１００と同様の構成を備えるが、２つの括れ部１１がパッド部３０に形成されている点、２本の導電線１２が配置されている点が、図１から図４に示した半導体装置１００と異なっている。すなわち、図１２に示した半導体装置において、括れ部１１が、第１括れ部１１ａと、第２括れ部１１ｂとを含む。第１括れ部１１ａは導電経路部材３のパッド部３０に形成されている。第２括れ部１１ｂは、第１括れ部１１ａと離れた位置であって、内部パワーリードの平面部３１ｂに形成されている。導電線１２は、第１導電線１２ａと第２導電線１２ｂとを含む。第１導電線１２ａは、第１括れ部１１ａを跨ぐように配置されている。第１導電線１２ａは、パッド部３０と、内部パワーリードの平面部３１ｂとをつなぐように、直線状に形成されている。第１導電線１２ａの構成は、図９および図１０に示した半導体装置１００における導電線１２の構成と同様である。第２導電線１２ｂは、第２括れ部１１ｂを跨ぐように配置されている。第２導電線１２ｂの構成は、図１から図４に示した半導体装置１００の導電線１２の構成と同様である。第１導電線１２ａの長さは第２導電線１２ｂの長さと異なる。

このような構成によっても、図１から図４または図９および図１０に示した半導体装置と同様の効果を得ることができる。また、第１導電線１２ａおよび第２導電線１２ｂと第１括れ部１１ａおよび第２括れ部１１ｂとの相対的な位置関係は、図５から図８に示した任意の位置関係を採用できる。なお、図１２に示した第２導電線１２ｂは図２から図４に示した導電線１２と同様に屈曲しているが、当該第２導電線１２ｂは直線状の形状であってもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る半導体装置１００において、括れ部１１は、第１括れ部１１ａと、第２括れ部１１ｂとを含む。第１括れ部１１ａは導電経路部材３に形成されている。第２括れ部１１ｂは、第１括れ部１１ａと離れた位置に形成されている。導電線１２は、第１導電線１２ａと第２導電線１２ｂとを含む。第１導電線１２ａは、第１括れ部１１ａを跨ぐように配置されている。第２導電線１２ｂは、第２括れ部１１ｂを跨ぐように配置されている。この場合、半導体素子４から当該導電経路部材３の先端側への熱の伝達をより抑制することができる。

上記半導体装置１００において、第１導電線１２ａの長さは第２導電線１２ｂの長さと異なる。この場合、たとえば第１導電線１２ａの長さを相対的に短くすることで、第１導電線１２ａでのジュール熱の発生を抑制できる。

実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１から実施の形態３のいずれか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、実施の形態４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。

図１３は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

図１３に示す電力変換システムは、電源４００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源４００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源４００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４００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２００は、電源４００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源４００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１３に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。

負荷３００は、電力変換装置２００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３００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、もしくは、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２００の詳細を説明する。主変換回路２０１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４００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１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２０１の各スイッチング素子およ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から実施の形態３のいずれかの半導体装置に相当する半導体装置２０２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２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。

また、主変換回路２０１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、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２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２０１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２０１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２０３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２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１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制御によって主変換回路２０１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２０１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。

本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１を構成する半導体装置２０２として実施の形態１から実施の形態３のいずれかに係る半導体装置を適用するため、信頼性を向上させることができる。

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すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の基本的な範囲は、上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

１ ヒートシンク、２ 絶縁シート、３ 導電経路部材、３ａ 第１領域、３ｂ 第２領域、４ 半導体素子、５ 制御端子部材、６ 制御用素子、７ 封止樹脂、８ パワーワイヤ、９ 素子用導電線、１０ 制御ワイヤ、１１ 括れ部、１１ａ 第１括れ部、１１ｂ 第２括れ部、１１ａ 切断部、１２ 導電線、１２ａ 第１導電線、１２ｂ 第２導電線、３０ パッド部、３１ 内部パワーリード、３１ａ 傾斜部、３１ｂ 平面部、３２ 外部パワーリード、３３ リード部、５１ 内部制御リード、５２ 外部制御リード、１００，２０２ 半導体装置、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０３ 制御回路、３００ 負荷、４００ 電源。

Claims (8)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子と接続された導電経路部材とを備え、
   前記導電経路部材は、括れ部と、第１領域と、第２領域とを含み、
   前記括れ部の断面積は、前記導電経路部材において前記括れ部を挟むように配置される前記第１領域および前記第２領域の断面積より小さく、さらに、
   前記括れ部を跨ぐように、前記第１領域と前記第２領域とを接続する導電線を備える、半導体装置。
2. 前記導電線を構成する材料の熱伝導率は、前記導電経路部材を構成する材料の熱伝導率より低い、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記導電経路部材は、前記半導体素子が接続されたパッド部と、前記パッド部に接続されたリード部とを含み、
   前記括れ部は前記パッド部および前記リード部の少なくともいずれか一方に形成されている、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記括れ部は、
   前記導電経路部材に形成された第１括れ部と、
   前記第１括れ部と離れた位置に形成された第２括れ部とを含み、
   前記導電線は、
   前記第１括れ部を跨ぐように配置された第１導電線と、
   前記第２括れ部を跨ぐように配置された第２導電線とを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１導電線の長さは前記第２導電線の長さと異なる、請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記半導体素子と直接接続された素子用導電線を備え、
   前記導電線と前記素子用導電線とは互いに異なる材料により構成される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記半導体素子と前記導電経路部材の少なくとも一部と前記導電線とを封止する封止樹脂を備え、
   前記導電経路部材の平面視において、前記導電線は前記括れ部と重ならない位置に配置されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 請求項１記載の半導体装置を有し、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、
   を備えた電力変換装置。
   

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