JP2023170146A - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体素子を備える半導体装置において、半導体素子同士を近づけて配置可能とすることで半導体装置を小型化可能とする。
【解決手段】各々に少なくとも１つの半導体チップ４が実装された複数の熱拡散部材９と、熱拡散部材９から伝達される熱を吸収する放熱器１とを備え、少なくとも１つの熱拡散部材９は、熱伝導の異方性を有する異方性熱拡散部材であり、異方性熱拡散部材が、他の熱拡散部材９との配列方向と半導体チップ４の実装面から放熱器１に向かう方向とに沿う断面にて、半導体チップ４の実装面から放熱器１に向かうに連れて隣接配置された他の熱拡散部材９から離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及び電力変換装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、複数の半導体素子を備える半導体装置が開示されている。特許文献１に開示された半導体装置は、延在方向において熱伝導異方性を有する熱拡散板部材を備えている。また、特許文献１に開示された半導体装置では、複数の半導体素子のそれぞれは、他の全ての半導体素子に対して、延在方向のうち熱拡散板部材の熱伝導性が最も高い高熱伝導方向において重複することのない非重複領域を有するように、高熱伝導方向に直交する方向にオフセット配置されている。

特開２０１３－２４３２４８号公報

ところで、半導体装置には、半導体素子の熱を吸収する冷却部材が設置されている。例えば、特許文献１に開示された半導体装置では、熱拡散板部材は、半導体素子の熱を吸収する冷却器に接続されている。このような特許文献１に開示された半導体装置では、高熱伝導方向が半導体素子と冷却器との配列方向と平行である。このため、半導体素子から冷却器に伝わる熱は、冷却器の熱拡散板部材の設置面に対して直交する方向から冷却器に進入する。

このような特許文献１に開示された半導体装置では、複数の半導体素子を近づけて配置すると、これらの半導体素子から伝わった熱が冷却器において干渉する。このため、このような熱干渉を防止するためには、半導体素子同士を離して配置する必要がある。この結果、半導体素子同士を近づけて配置することができず、半導体装置が大型化する。特に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた半導体素子は、個々の半導体素子を大型化することが難しく、複数の半導体素子を設置する必要がある。このため、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた半導体素子同士を近づけることができないと、半導体装置が大型化してしまう。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、複数の半導体素子を備える半導体装置及び電力変換装置において、半導体素子同士を近づけて配置可能とすることで半導体装置を小型化可能とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

本発明の第１の態様は、半導体装置であって、各々に少なくとも１つの半導体素子が実装された複数の熱拡散部材と、上記熱拡散部材から伝達される熱を吸収する冷却部材とを備え、少なくとも１つの上記熱拡散部材は、熱伝導の異方性を有する異方性熱拡散部材であり、上記異方性熱拡散部材が、他の上記熱拡散部材との配列方向と上記半導体素子の実装面から上記冷却部材に向かう方向とに沿う断面にて、上記半導体素子の実装面から上記冷却部材に向かうに連れて隣接配置された他の上記熱拡散部材から離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有するという構成を採用する。

本発明によれば、異方性熱拡散部材が、半導体素子の実装面から冷却部材に向かうに連れて隣接配置された他の熱拡散部材から離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する。このため、半導体素子同士を近づけて配置しても、これらの半導体素子からの熱が冷却部材において離れた位置に伝わり、熱干渉を抑止することができる。したがって、本発明によれば、複数の半導体素子を備える半導体装置において、半導体素子同士を近づけて配置可能とすることで半導体装置を小型化することができる。

本発明の第１実施形態の電力変換装置の電気的な概略構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態の電力変換装置のパワーデバイスを含む模式的な部分拡大断面図である。 本発明の第１実施形態の電力変換装置のパワーデバイスの模式的な平面図である。 本発明の第２実施形態の電力変換装置のパワーデバイスの模式的な平面図である。 本発明の第３実施形態の電力変換装置のパワーデバイスの模式的な平面図である。 本発明の第４実施形態の電力変換装置のパワーデバイスの模式的な平面図である。 本発明の第５実施形態の電力変換装置のパワーデバイスの模式的な平面図である。 本発明の第５実施形態の電力変換装置のパワーデバイスが複数配列された状態を示す模式図である。 本発明の第５実施形態の電力変換装置において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に応じて３つ設けられたパワーデバイスと放熱器との位置関係を示す模式的な断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る半導体装置の一実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、本発明の半導体装置を車両に搭載される電力変換装置に適用した例について説明する。ただし、本発明は、電力変換装置に限定されるものではなく、半導体素子を備える半導体装置に適用可能である。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の電力変換装置Ａの電気的な概略構成を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置Ａは、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されるＰＣＵ（パワーコントロールユニット）であり、昇降圧回路Ｅ１及び２つのインバータ回路（第１インバータ回路Ｅ２と第２インバータ回路Ｅ３）を備えている。また、本実施形態の電力変換装置Ａは、昇降圧回路Ｅ１と２つのインバータ回路や、インバータ回路とモータを接続するバスバーＢを備えている。

このような本実施形態の電力変換装置Ａは、バッテリから供給された電力を三相交流電力に変換してモータに供給する。また、電力変換装置Ａは、モータからの回生電力をバッテリに供給する。

昇降圧回路Ｅ１、第１インバータ回路Ｅ２及び第２インバータ回路Ｅ３は、各々が複数のパワーデバイスＤを備えている。各々のパワーデバイスＤは、パワートランジスタを有している。これらのパワートランジスタは、半導体チップ４（図２参照）に形成されている。

図２は、１つのパワーデバイスＤを含む電力変換装置Ａの模式的な部分拡大断面図である。この図に示すように、電力変換装置Ａは、放熱器１（冷却部材）と、樹脂ケース２と、絶縁性熱伝導基板３と、半導体チップ４（半導体素子）と、外部端子５と、リードフレーム６と、リードワイヤ７と、封止材８と、熱拡散部材９とを備えている。なお、本実施形態では、パワーデバイスＤは、絶縁性熱伝導基板３（絶縁性伝熱部材）と、半導体チップ４と、熱拡散部材９（異方性熱拡散部材）とで構成されている。

放熱器１は、例えばウォータジャケットである。放熱器１は、半導体チップ４等を冷却する。放熱器１は、内部に冷却液Ｘ（冷媒）が流されており、絶縁性熱伝導基板３等を介して半導体チップ４から伝達された熱を冷却液Ｘによって回収する。なお、図２においては、放熱器１の一部（天板部）のみを図示している。放熱器１の天板の表面（図２における上面）には樹脂ケース２等が配置されている。一方、天板の裏面（図２における下面）には複数のフィンが形成されている。フィンが形成された天板の裏面側には、例えば冷却液Ｘの水路が形成されている。

樹脂ケース２は、接着剤２０を介して、放熱器１に接着されている。樹脂ケース２は、パワーデバイスＤが収容される開口部２ａを有している。樹脂ケース２は、パワーデバイスＤの数と同数の開口部２ａを有している。各々の開口部２ａに対して１つのパワーデバイスＤが収容されている。この樹脂ケース２は、バスバーＢを保持している。図２に示すように、バスバーＢは、リードフレーム６との接合箇所が開口部２ａの内側に向けて露出された状態で保持されている。

絶縁性熱伝導基板３は、絶縁性セラミックス基板３ａ（絶縁基板）と、絶縁性セラミックス基板３ａの裏面（図２における下面）に形成された金属層３ｂとを備えている。絶縁性セラミックス基板の表側（図２における上面）には、熱拡散部材９が配置されている。絶縁性セラミックス基板３ａの裏側に形成された金属層３ｂは、半導体チップ４等から伝わる熱を放熱器１に伝達する伝熱路の一部を形成する。

絶縁性セラミックス基板３ａは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン系セラミックス（Ｓｉ_３Ｎｉ_４）によって形成することができる。また、金属層３ｂは、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）によって形成することができる。

半導体チップ４は、例えば、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ等が形成されたチップである。半導体チップ４は、熱拡散部材９上に実装されている。半導体チップ４は、例えば半田を介して熱拡散部材９に接合されている。なお、熱拡散部材９は、絶縁性熱伝導基板３に実装されている。つまり、半導体チップ４は、熱拡散部材９を介して絶縁性熱伝導基板３に実装されている。

図３は、パワーデバイスＤの模式的な平面図である。この図に示すように、本実施形態においては、１つの絶縁性熱伝導基板３に対して、２つの半導体チップ４が実装されている。このような半導体チップ４は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体を用いて形成することができる。また、半導体チップ４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体等を用いて形成することも可能である。また、半導体チップ４は、シリコン（Ｓｉ）半導体を用いて形成することも可能である。

図２に戻り、外部端子５は、樹脂ケース２に対して保持されている。外部端子５は、複数設けられており、各々がリードワイヤ７を介して半導体チップ４に接続されている。これらの外部端子５を介して外部から半導体チップ４が制御される。

リードフレーム６は、パワーデバイスＤとバスバーＢとを接続する板状の導電部材である。このリードフレーム６は複数設けられていてもよい。これらのリードフレーム６は、制御信号が流れるリードワイヤ７と比較して、大きな電流が流れる導電部材である。リードフレーム６は、例えば半田を介して、バスバーＢ及びパワーデバイスＤと接合されている。

リードワイヤ７は、半導体チップ４と外部端子５とを接続する導電部材である。リードワイヤ７は、例えば半田を介して、パワーデバイスＤ及び外部端子５と接合されている。つまり、半導体チップ４と外部端子５とは、いわゆるワイヤボンディングによって電気的に接続されている。

封止材８は、樹脂ケース２の開口部２ａの内部に充填されている。封止材８は、絶縁性熱伝導基板３及び半導体チップ４等を覆い、絶縁性熱伝導基板３及び半導体チップ４等が空気等に触れることを抑止する。この封止材８は、例えば、シリコーンゲルによって形成することができる。

熱拡散部材９は、半導体チップ４と絶縁性熱伝導基板３との間に介装されている。本実施形態において、熱拡散部材９は２つ設けられている。各々の熱拡散部材９は、１つの半導体チップ４が実装されている。つまり、本実施形態において熱拡散部材９と半導体チップ４とは同数設けられている。これらの熱拡散部材９は、導電性を有しており、電流が流れる回路の一部を形成している。

本実施形態において、これらの熱拡散部材９は、熱伝導異方性を有する材料によって形成されている。つまり、本実施形態において熱拡散部材９は、いずれも熱伝導の異方性を有する異方性熱拡散部材である。具体的には、本実施形態において熱拡散部材９は、グラファイトによって形成されている。グラファイトは、層状の結晶構造を有しており、結晶面に沿った方向（以下、結晶面方向と称する）の熱伝導率が、結晶面と直交する方向（以下、結晶積層方向と称する）の熱伝導率よりも大きい材料である。

つまり、このようなグラファイトで形成された熱拡散部材９は、結晶面方向が向けられた方向の熱伝導率が、結晶積層方向が向けられた方向の熱伝導率よりも大きい熱伝導異方性を有している。

なお、説明の便宜上、２つの熱拡散部材９のうち、図２の左側に位置する熱拡散部材９を第１熱拡散部材９ａと称する。また、図２の右側に位置する熱拡散部材９を第２熱拡散部材９ｂと称する。また、第１熱拡散部材９ａに実装された半導体チップ４を第１半導体チップ４ａと称する。また、第２熱拡散部材９ｂに実装された半導体チップ４を第２半導体チップ４ｂと称する。

図２に示すように、第１熱拡散部材９ａと第２熱拡散部材９ｂとは、隣接して配置されている。本実施形態では、第１熱拡散部材９ａと第２熱拡散部材９ｂとは接触された状態で配置されている。なお、第１熱拡散部材９ａと第２熱拡散部材９ｂとの間に隙間が形成されていてもよい。つまり、隣接して配置されるとは、２つの部材が接触している場合に限定されない。

第１熱拡散部材９ａは、第１半導体チップ４ａの実装面から放熱器１に向かうに連れて隣接配置された第２熱拡散部材９ｂに近づく方向への熱の伝達を抑制する熱伝達特性を有する。具体的には、第１熱拡散部材９ａにおいては、第１半導体チップ４ａの実装面から放熱器１に向かうに連れてグラファイトの結晶面が第２熱拡散部材９ｂから離れるように、結晶面方向が実装面に対して傾斜されている。例えば、第１熱拡散部材９ａを形成するグラファイトの結晶面方向は、第１半導体チップ４ａの実装面に対して４５°の角度で傾斜されている。ただし、第１熱拡散部材９ａを形成するグラファイトの結晶面方向の実装面に対する角度は、４５°に限定されない。

このような第１熱拡散部材９ａでは、第１半導体チップ４ａの実装面の法線方向から見て、熱伝導率が小さい結晶積層方向が、第２熱拡散部材９ｂに向けられている。このため、第１半導体チップ４ａの熱が第１熱拡散部材９ａに向かうことが抑止される。さらに、第１熱拡散部材９ａは、第１熱拡散部材９ａと第２熱拡散部材９ｂとの配列方向と第１半導体チップ４ａの実装面から放熱器１に向かう方向とに沿った断面（図２に示す断面）にて、第１半導体チップ４ａの実装面から放熱器１に向かうに連れて隣接配置された第２熱拡散部材９ｂから離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有している。

このように、第１熱拡散部材９ａは、第１半導体チップ４ａと放熱器１との配列方向に沿った方向から見て、隣接配置された第２熱拡散部材９ｂから離間する方向への熱伝達率が、隣接配置された第２熱拡散部材９ｂに近接する方向への熱伝達率よりも高い材料で形成されている。

第２熱拡散部材９ｂは、第２半導体チップ４ｂの実装面から放熱器１に向かうに連れて隣接配置された第１熱拡散部材９ａに近づく方向への熱の伝達を抑制する熱伝達特性を有する。具体的には、第２熱拡散部材９ｂにおいては、第２半導体チップ４ｂの実装面から放熱器１に向かうに連れてグラファイトの結晶面が第１熱拡散部材９ａから離れるように、結晶面方向が実装面に対して傾斜されている。例えば、第２熱拡散部材９ｂを形成するグラファイトの結晶面方向は、第２半導体チップ４ｂの実装面に対して４５°の角度で傾斜されている。ただし、第２熱拡散部材９ｂを形成するグラファイトの結晶面方向の実装面に対する角度は、４５°に限定されない。

このような第２熱拡散部材９ｂでは、第２半導体チップ４ｂの実装面の法線方向から見て、熱伝導率が小さい結晶積層方向が、第１熱拡散部材９ａに向けられている。このため、第２半導体チップ４ｂの熱が第２熱拡散部材９ｂに向かうことが抑止される。さらに、第２熱拡散部材９ｂは、第１熱拡散部材９ａと第２熱拡散部材９ｂとの配列方向と第２半導体チップ４ｂの実装面から放熱器１に向かう方向とに沿った断面（図２に示す断面）にて、第２半導体チップ４ｂの実装面から放熱器１に向かうに連れて隣接配置された第１熱拡散部材９ａから離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有している。

このように、第２熱拡散部材９ｂは、第２半導体チップ４ｂと放熱器１との配列方向に沿った方向から見て、隣接配置された第１熱拡散部材９ａから離間する方向への熱伝達率が、隣接配置された第１熱拡散部材９ａに近接する方向への熱伝達率よりも高い材料で形成されている。

このように構成された本実施形態の電力変換装置Ａにおいては、第１半導体チップ４ａが発熱すると、第１半導体チップ４ａの熱は、第１熱拡散部材９ａの実装面から絶縁性熱伝導基板３に向かって伝達される。このとき、第１半導体チップ４ａの熱の少なくとも一部は、第２熱拡散部材９ｂから離れるように伝達される。

また、第２半導体チップ４ｂが発熱すると、第２半導体チップ４ｂの熱は、第２熱拡散部材９ｂの実装面から絶縁性熱伝導基板３に向かって伝達される。このとき、第２半導体チップ４ｂの熱の少なくとも一部は、第１熱拡散部材９ａから離れるように伝達される。

絶縁性熱伝導基板３の熱拡散部材９の実装面には、第１半導体チップ４ａから伝わった熱による高温域と、第２半導体チップ４ｂから伝わった熱による高温域との２つの高温域が形成される。上述のように第１半導体チップ４ａの熱の少なくとも一部が、第２熱拡散部材９ｂから離れるように伝達され、第２半導体チップ４ｂの熱の少なくとも一部が、第１熱拡散部材９ａから離れるように伝達される。このため、絶縁性熱伝導基板３の熱拡散部材９の実装面における２つの高温域の離間寸法は、第１半導体チップ４ａと第２半導体チップ４ｂとの離間寸法よりも大きくなる。したがって、第１半導体チップ４ａと第２半導体チップ４ｂとを近づけて配置した場合であっても、絶縁性熱伝導基板３において２つの高温域は離れる。

絶縁性熱伝導基板３に伝わった熱は、放熱器１に伝わる。ここで、本実施形態においては、絶縁性熱伝導基板３の熱拡散部材９の実装面における２つの高温域の離間寸法が、第１半導体チップ４ａと第２半導体チップ４ｂとの離間寸法よりも大きい。このため、第１半導体チップ４ａから放熱器１に伝わった熱と、第２半導体チップ４ｂから放熱器１に伝わった熱とが干渉することを抑制できる。つまり、本実施形態においては、第１半導体チップ４ａと第２半導体チップ４ｂとを近接して配置しても、これらの半導体チップ４の熱が熱拡散部材９によって離れるように絶縁性熱伝導基板３に伝熱される。したがって、放熱器１において、第１半導体チップ４ａの熱と第２半導体チップ４ｂの熱とが干渉することが抑止される。

放熱器１に伝達された熱は、放熱器１を流れる冷却液Ｘに吸収され、外部に排出される。このような熱の排出経路が形成されることにより、第１半導体チップ４ａと第２半導体チップ４ｂとが冷却される。

以上のような本実施形態の電力変換装置Ａは、熱拡散部材９と、放熱器１とを備えている。熱拡散部材９は、複数設けられている。また、熱拡散部材９は、各々に１つの半導体チップ４が実装されている。放熱器１は、熱拡散部材９から伝達される熱を吸収する。複数の熱拡散部材９は、各々が熱伝導の異方性を有する異方性熱拡散部材である。異方性熱拡散部材である熱拡散部材９は、他の熱拡散部材９との配列方向と半導体チップ４の実装面から放熱器１に向かう方向とに沿う断面にて、半導体チップ４の実装面から放熱器１に向かうに連れて隣接配置された他の熱拡散部材９から離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する。

例えば、第１熱拡散部材９ａは、隣接する第２熱拡散部材９ｂとの配列方向と第１半導体チップ４ａの実装面から放熱器１に向かう方向とに沿う断面にて、第１半導体チップ４ａの実装面から放熱器１に向かうに連れて第２熱拡散部材９ｂから離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する。また、第２熱拡散部材９ｂは、隣接する第１熱拡散部材９ａとの配列方向に沿った端面にて、第２半導体チップ４ｂの実装面から放熱器１に向かうに連れて第１熱拡散部材９ａから離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特定を有する。

このような本実施形態の電力変換装置Ａによれば、熱拡散部材９が、半導体チップ４の実装面から放熱器１に向かうに連れて隣接配置された他の熱拡散部材９から離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する。このため、半導体チップ４同士を近づけて配置しても、これらの半導体チップ４からの熱が放熱器１において離れた位置に伝わり、熱干渉を抑止することができる。したがって、本実施形態の電力変換装置Ａによれば、半導体チップ４同士を近づけて配置可能とすることで小型化することができる。

また、本実施形態の電力変換装置Ａにおいて、熱拡散部材９は、半導体チップ４と放熱器１との配列方向に沿った方向から見て、隣接配置された他の熱拡散部材９から離間する方向への熱伝達率が、隣接配置された他の熱拡散部材９に近接する方向への熱伝達率よりも高い材料（熱伝達異方性材料）で形成されている。

例えば、第１熱拡散部材９ａは、第１半導体チップ４ａと放熱器１との配列方向に沿った方向から見て、第２熱拡散部材９ｂから離間する方向への熱伝達率が、第２熱拡散部材９ｂに近接する方向への熱伝達率よりも高い材料で形成されている。また、第２熱拡散部材９ｂは、第２半導体チップ４ｂと放熱器１との配列方向に沿った方向から見て、第１熱拡散部材９ａから離間する方向への熱伝達率が、第１熱拡散部材９ａに近接する方向への熱伝達率よりも高い材料で形成されている。

このような本実施形態の電力変換装置Ａによれば、熱拡散部材９の全体を熱伝達異方性材料で形成することで、半導体チップ４の実装面から放熱器１に向かうに連れて隣接配置された他の熱拡散部材９から離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する熱拡散部材９を容易に形成することができる。したがって、微細な導電路を形成等する必要がなく、熱拡散部材９の形成が容易となる。

また、本実施形態の電力変換装置Ａにおいて、熱拡散部材９は、層状の結晶構造を有するグラファイトで形成されている。また、熱拡散部材９は、半導体チップ４と放熱器１との配列方向に沿った方向から見て、グラファイトの結晶面と直交する結晶積層方向が、隣接配置された他の熱拡散部材９に向かう方向となるように形成されている。

例えば、第１熱拡散部材９ａは、グラファイトで形成されている。第１熱拡散部材９ａは、第１半導体チップ４ａと放熱器１との配列方向に沿った方向から見て、グラファイトの結晶積層方向が、第２熱拡散部材９ｂに向かう方向となるように形成されている。また、第２熱拡散部材９ｂは、グラファイトで形成されている。第２熱拡散部材９ｂは、第２半導体チップ４ｂと放熱器１との配列方向に折った方向から見て、グラファイトの結晶積層方向が、第１熱拡散部材９ａに向かう方向となるように形成されている。

このような本実施形態の電力変換装置Ａによれば、熱拡散部材９をグラファイトのみで形成することができる。したがって、熱拡散部材９の形成が容易となる。なお、グラファイトで熱拡散部材９を形成する場合には、結晶面方向及び結晶積層方向を定めることで、上述のような所望の熱伝導の異方性を熱拡散部材９に持たせることができる。

また、本実施形態の電力変換装置Ａは、絶縁性熱伝導基板３を備えている。絶縁性熱伝導基板３は、熱拡散部材９と放熱器１との間に介装される。また、絶縁性熱伝導基板３は、絶縁性セラミックス基板３ａと、金属層３ｂとを備えている。絶縁性セラミックス基板３ａは、熱拡散部材９が一方側の面に設けられる絶縁性の基板である。金属層３ｂは、絶縁性セラミックス基板３ａの他方側の面に設けられると共に放熱器１に当接する。

このような本実施形態の電力変換装置Ａによれば、熱拡散部材９と放熱器１とを絶縁しかつ半導体チップ４の熱を放熱器１に伝達することができる。このため、例えば、熱拡散部材９を導電回路の一部として用いることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図４を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態の電力変換装置が備えるパワーデバイスＤ１の模式的な平面図である。この図に示すように、本実施形態においてパワーデバイスＤ１は、１つの熱拡散部材９に対して、２つの半導体チップ４が実装されている。つまり、本実施形態では、第１熱拡散部材９ａに対して２つの第１半導体チップ４ａが実装されている。また、第２熱拡散部材９ｂに対して２つの第２半導体チップ４ｂが実装されている。

このような本実施形態の電力変換装置においても、第１熱拡散部材９ａは、隣接する第２熱拡散部材９ｂとの配列方向と第１半導体チップ４ａの実装面から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、第１半導体チップ４ａの実装面から放熱器１に向かうに連れて第２熱拡散部材９ｂから離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する。また、第２熱拡散部材９ｂは、隣接する第１熱拡散部材９ａとの配列方向に沿った端面にて、第２半導体チップ４ｂの実装面から放熱器１に向かうに連れて第１熱拡散部材９ａから離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特定を有する。

したがって、第１半導体チップ４ａと第２半導体チップ４ｂとを近づけて配置しても、これらの半導体チップ４からの熱が放熱器１において離れた位置に伝わり、熱干渉を抑止することができる。したがって、本実施形態の電力変換装置によれば、半導体チップ４同士を近づけて配置可能とすることで小型化することができる。

なお、各々の熱拡散部材９に実装される半導体チップ４の数は、２つに限定されるものではない。３つ以上の半導体チップ４を１つの熱拡散部材９に対して実装することも可能である。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について、図５を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図５は、本実施形態の電力変換装置が備えるパワーデバイスＤ２の模式的な平面図である。この図に示すように、本実施形態においてパワーデバイスＤ２は、４つの熱拡散部材９を備えている。各々の熱拡散部材９は、異方性熱拡散部材である。

図５に示すように、各々の熱拡散部材９が平面視で矩形状に形成されており、４つの熱拡散部材９が縦横に２つずつ格子状に配列されている。各々の熱拡散部材９は、４つの辺のうち２つに対して他の熱拡散部材９が隣接するように配置されている。

各々の熱拡散部材９は、結晶面が半導体チップ４の実装面に対して傾斜するように形成されている。さらに、各々の熱拡散部材９は、結晶積層方向が隣接する２つの熱拡散部材９のうち、１つの熱拡散部材９に向かうように形成されている。

例えば、図５に示すように、４つの熱拡散部材９を、熱拡散部材９１、熱拡散部材９２、熱拡散部材９３及び熱拡散部材９４とする。熱拡散部材９１と熱拡散部材９３とが対角に配置され、熱拡散部材９２と熱拡散部材９４とが対角に配置されている。このような場合、熱拡散部材９１は、４つの辺のうち１つの辺に熱拡散部材９２が隣接し、他の１つの辺に熱拡散部材９４が隣接する。また、熱拡散部材９２は、４つの辺のうち１つの辺に熱拡散部材９３が隣接し、他の１つの辺に熱拡散部材９１が隣接する。また、熱拡散部材９３は、４つの辺のうち１つの辺に熱拡散部材９４が隣接し、他の１つの辺に熱拡散部材９２が隣接する。また、熱拡散部材９４は、４つの辺のうち１つの辺に熱拡散部材９１が隣接し、他の１つの辺に熱拡散部材９３が隣接する。

熱拡散部材９１は、熱拡散部材９４との配列方向と半導体チップ４から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、図５の矢印で示すように、熱拡散部材９４から離れるように熱を放熱器１に向けて伝達する。このため、熱拡散部材９１に実装された半導体チップ４の熱が熱拡散部材９４に実装された半導体チップ４の熱と干渉することを抑制することができる。

また、熱拡散部材９２は、熱拡散部材９１との配列方向と半導体チップ４から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、図５の矢印で示すように、熱拡散部材９１から離れるように熱を放熱器１に向けて伝達する。このため、熱拡散部材９２に実装された半導体チップ４の熱が熱拡散部材９１に実装された半導体チップ４の熱と干渉することを抑制することができる。

また、熱拡散部材９３は、熱拡散部材９２との配列方向と半導体チップ４から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、図５の矢印で示すように、熱拡散部材９２から離れるように熱を放熱器１に向けて伝達する。このため、熱拡散部材９３に実装された半導体チップ４の熱が熱拡散部材９２に実装された半導体チップ４の熱と干渉することを抑制することができる。

また、熱拡散部材９４は、熱拡散部材９３との配列方向と半導体チップ４から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、図５の矢印で示すように、熱拡散部材９３から離れるように熱を放熱器１に向けて伝達する。このため、熱拡散部材９４に実装された半導体チップ４の熱が熱拡散部材９１に実装された半導体チップ４の熱と干渉することを抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について、図６を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第３実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図６は、本実施形態の電力変換装置が備えるパワーデバイスＤ３の模式的な平面図である。本実施形態において、熱拡散部材９１は、熱拡散部材９３との配列方向と半導体チップ４から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、図６の矢印で示すように、熱拡散部材９３から離れるように熱を放熱器１に向けて伝達する。このため、熱拡散部材９１に実装された半導体チップ４の熱が熱拡散部材９３に実装された半導体チップ４の熱と干渉することを抑制することができる。

また、熱拡散部材９２は、熱拡散部材９４との配列方向と半導体チップ４から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、図６の矢印で示すように、熱拡散部材９４から離れるように熱を放熱器１に向けて伝達する。このため、熱拡散部材９２に実装された半導体チップ４の熱が熱拡散部材９４に実装された半導体チップ４の熱と干渉することを抑制することができる。

また、熱拡散部材９３は、熱拡散部材９１との配列方向と半導体チップ４から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、図６の矢印で示すように、熱拡散部材９１から離れるように熱を放熱器１に向けて伝達する。このため、熱拡散部材９３に実装された半導体チップ４の熱が熱拡散部材９１に実装された半導体チップ４の熱と干渉することを抑制することができる。

また、熱拡散部材９４は、熱拡散部材９２との配列方向と半導体チップ４から放熱器１に向かう方向とに沿った断面にて、図６の矢印で示すように、熱拡散部材９２から離れるように熱を放熱器１に向けて伝達する。このため、熱拡散部材９４に実装された半導体チップ４の熱が熱拡散部材９２に実装された半導体チップ４の熱と干渉することを抑制することができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について、図７～図９を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図７は、本実施形態の電力変換装置が備えるパワーデバイスＤ４の模式的な平面図である。上記第２実施形態においては、各々に２つの半導体チップ４が設けられた熱拡散部材９が２つ設けられており、これらの熱拡散部材９が２つの半導体チップ４の配列方向と直交する方向に配列された構成について説明した。

しかしながら、図７に示すように、２つの熱拡散部材９を半導体チップ４の配列方向に沿うように配列してもよい。図８は、パワーデバイスＤ４が複数配列された状態を示す模式図である。図８に示すように、例えば、このようなパワーデバイスＤ４をモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に応じて３つ設けることも可能である。

図９は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に応じて３つ設けられたパワーデバイスＤ４と放熱器１との位置関係を示す模式的な断面図である。図９に示すように、各々のパワーデバイスＤ４において、２つの熱拡散部材９は、放熱器１の内部を流れる冷却液Ｘの流れ方向に対して直交する方向に配列されている。このように、熱拡散部材９を放熱器１の内部を流れる冷却液Ｘの流れ方向に対して直交する方向に配列することで、一方の熱拡散部材９から冷却液Ｘに伝わった熱が他方の熱拡散部材９の真下を伝わることを防止し、より確実に熱干渉を抑止することが可能となる。

このように本実施形態の電力変換装置によれば、放熱器１に一方向に冷却液Ｘが流されている。また、複数の熱拡散部材９は、半導体チップ４と放熱器１との配列方向に沿った方向から見て、冷却液Ｘの流れ方向と直交する方向に配列されている。このため、上述のように、互いの熱拡散部材９から放熱器１に伝わたった熱同士が干渉することを抑制することができる。

なお、図８に示すように、複数のパワーデバイスを備える場合には、各々のパワーデバイスが１つの熱拡散部材９を備えるようにし、パワーデバイス同士の熱が干渉を起こさないように熱拡散部材９の熱伝導の異方性を設定するようにしてもよい。例えば、Ｕ相に対応して設けられたパワーデバイスＤの熱拡散部材９を結晶積層方向がＶ相に向かうように形成してもよい。また、Ｗ相に対応して設けられたパワーデバイスＤの熱拡散部材９を結晶積層方向がＶ相に向かうように形成してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、複数の熱拡散部材９の全てが異方性熱拡散部材である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、複数の熱拡散部材のうち、いずれかの熱拡散部材が熱伝導の異方性を有していなくてもよい。つまり、本発明においては、複数の熱拡散部材を備える場合に、少なくとも１つの熱拡散部材が異方性拡散部材であればよい。

また、本実施形態においては、異方性熱拡散部材がグラファイトによって形成された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。グラファイト以外の材料で異方性熱拡散部材が形成されていても良い。また、複数の部材を組み合わせることで異方性熱拡散部材が熱伝達の異方性を備えるようにしてもよい。

なお、上記実施形態については、例えば以下の付記のようにも記載できる。

（付記１）
各々に少なくとも１つの半導体素子が実装された複数の熱拡散部材と、
上記熱拡散部材から伝達される熱を吸収する冷却部材と
を備え、
少なくとも１つの上記熱拡散部材は、熱伝導の異方性を有する異方性熱拡散部材であり、
上記異方性熱拡散部材は、他の上記熱拡散部材との配列方向と上記半導体素子の実装面から上記冷却部材に向かう方向とに沿う断面にて、上記半導体素子の実装面から上記冷却部材に向かうに連れて隣接配置された他の上記熱拡散部材から離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する
ことを特徴とする半導体装置。

（付記２）
上記異方性熱拡散部材は、
上記半導体素子と上記冷却部材との配列方向に沿った方向から見て、隣接配置された他の上記熱拡散部材から離間する方向への熱伝達率が、隣接配置された他の上記熱拡散部材に近接する方向への熱伝達率よりも高い材料で形成されている
ことを特徴とする付記１記載の半導体装置。

（付記３）
上記異方性熱拡散部材は、
層状の結晶構造を有するグラファイトで形成され、上記半導体素子と上記冷却部材との配列方向に沿った方向から見て、上記グラファイトの結晶面と直交する結晶積層方向が、隣接配置された他の上記熱拡散部材に向かう方向となるように形成されている
ことを特徴とする付記１または２記載の半導体装置。

（付記４）
上記熱拡散部材と上記冷却部材との間に介装される絶縁性伝熱部材を備え、
上記絶縁性伝熱部材は、
上記熱拡散部材が一方側の面に設けられる絶縁基板と、
上記絶縁基板の他方側の面に設けられると共に上記冷却部材に当接する金属層と
を備える
ことを特徴とする付記１～３のいずれか一つに記載の半導体装置。

（付記５）
上記冷却部材に一方向に冷媒が流され、
複数の上記熱拡散部材は、上記半導体素子と上記冷却部材との配列方向に沿った方向から見て、上記冷媒の流れ方向と直交する方向に配列されている
ことを特徴とする付記１～４のいずれか一つに記載の半導体装置。

（付記６）
各々に複数の上記半導体素子が実装された上記熱拡散部材を複数備えることを特徴とする付記１～５のいずれか一つに記載の半導体装置。

（付記７）

付記１～６のいずれか一つに記載の半導体装置からなることを特徴とする電力変換装置。

１……放熱器（冷却部材）、３……絶縁性熱伝導基板（絶縁性伝熱部材）、３ａ……絶縁性セラミックス基板（絶縁基板）、３ｂ……金属層、４……半導体チップ（半導体素子）、４ａ……第１半導体チップ、４ｂ……第２半導体チップ、９……熱拡散部材、９ａ……第１熱拡散部材、９ｂ……第２熱拡散部材、９１……熱拡散部材、９２……熱拡散部材、９３……熱拡散部材、９４……熱拡散部材、Ａ……電力変換装置（半導体装置）、Ｄ……パワーデバイス、Ｄ１……パワーデバイス、Ｄ２……パワーデバイス、Ｄ３……パワーデバイス、Ｄ４……パワーデバイス、Ｘ……冷却液（冷媒）

Claims (7)

1. 各々に少なくとも１つの半導体素子が実装された複数の熱拡散部材と、
   前記熱拡散部材から伝達される熱を吸収する冷却部材と
   を備え、
   少なくとも１つの前記熱拡散部材は、熱伝導の異方性を有する異方性熱拡散部材であり、
   前記異方性熱拡散部材は、他の前記熱拡散部材との配列方向と前記半導体素子の実装面から前記冷却部材に向かう方向とに沿う断面にて、前記半導体素子の実装面から前記冷却部材に向かうに連れて隣接配置された他の前記熱拡散部材から離間する方向へ熱を伝達する熱伝達特性を有する
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記異方性熱拡散部材は、
   前記半導体素子と前記冷却部材との配列方向に沿った方向から見て、隣接配置された他の前記熱拡散部材から離間する方向への熱伝達率が、隣接配置された他の前記熱拡散部材に近接する方向への熱伝達率よりも高い材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記異方性熱拡散部材は、
   層状の結晶構造を有するグラファイトで形成され、
   前記半導体素子と前記冷却部材との配列方向に沿った方向から見て、前記グラファイトの結晶面と直交する結晶積層方向が、隣接配置された他の前記熱拡散部材に向かう方向となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記熱拡散部材と前記冷却部材との間に介装される絶縁性伝熱部材を備え、
   前記絶縁性伝熱部材は、
   前記熱拡散部材が一方側の面に設けられる絶縁基板と、
   前記絶縁基板の他方側の面に設けられると共に前記冷却部材に当接する金属層と
   を備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
5. 前記冷却部材に一方向に冷媒が流され、
   複数の前記熱拡散部材は、前記半導体素子と前記冷却部材との配列方向に沿った方向から見て、前記冷媒の流れ方向と直交する方向に配列されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
6. 各々に複数の前記半導体素子が実装された前記熱拡散部材を複数備えることを特徴とすることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
7. 請求項１または２記載の半導体装置からなることを特徴とする電力変換装置。

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