JP4973059B2 - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置及び電力変換装置に関し、特に、複数の半導体素子が積層された半導体装置及び電力変換装置に関する。

従来、複数の半導体素子が積層された「半導体装置」（特許文献１参照）が知られている。
図７は、従来の半導体装置の構成を示す断面説明図である。図７に示すように、半導体装置１は、下側半導体素子２と上側半導体素子３を積層して形成する。下側半導体素子２を、両側に金属パターンを有する絶縁基板４を介して冷却器５ａに実装する。この下側半導体素子２は、はんだ６ａによって絶縁基板４に実装される。また、上側半導体素子３も、両側に金属パターンを有する絶縁基板７を介して冷却器５ｂに実装する。この上側半導体素子３は、はんだ６ｂによって絶縁基板７に実装される。

そして、下側半導体素子２の主面電極上に電極２ａを実装し、更に、電極２ａ上に絶縁材８ａを介して冷却器５ｂを載せ、更に、上側半導体素子３の主面電極上に電極３ａを実装し、更に、電極３ａ上に絶縁材８ｂを介して冷却器５ｃを載せる。
この従来の半導体装置１は、下側半導体素子２と上側半導体素子３共に表裏面に冷却器５ａ，５ｂを有するため、冷却性能が高くなり、それにより温度上昇を抑えるとしている。また、両半導体素子２，３を積層しているので、半導体素子の実装密度を向上させて設置面積を縮小することができるとしている。
特開２００１−２４４４０７号公報

しかしながら、従来の半導体装置１は、複数の半導体素子と複数の冷却器とを電気的な絶縁性を確保しながら積層する構造であるため、積層する部材の数が増えて装置全体が厚くなってしまい、装置が大型化してしまうことが避けられない。
この発明の目的は、装置全体が厚くならないようにして装置が大型化するのを防止した、複数の半導体素子が積層された半導体装置及び電力変換装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る半導体装置は、主面電極同士が電気的に同電位の第１半導体素子及び第２半導体素子と、第１基板を介して前記第１半導体素子を積層した第１放熱器と、前記第１基板と主面同士を対向配置して接合した第２基板を介して前記第２半導体素子を積層した第２放熱器と、前記第１半導体素子と前記第１半導体素子に対向配置した前記第２半導体素子との間に積層され、前記第２半導体素子の主面電極に高熱伝導性材料で接合した第１上面電極とを有している。

また、この発明に係る電力変換装置は、この発明に係る半導体装置の前記第１半導体素子を絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとし、前記第２半導体素子をダイオードとして、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の主面電極同士を電気的に接続すると共に、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の裏面電極同士を電気的に接続することによりスイッチ回路を形成し、前記スイッチ回路を複数個用いてインバータ回路を形成している。

この発明によれば、第１基板を介して第１半導体素子を積層した第１放熱器と、第１基板と主面同士を対向配置して接合した第２基板を介して第２半導体素子を積層した第２放熱器とを有し、第１半導体素子と第１半導体素子に対向配置した前記第２半導体素子との間に、第２半導体素子の主面電極に高熱伝導性材料で接合した第１上面電極が積層されており、第１半導体素子及び第２半導体素子の主面電極同士が電気的に同電位にされている。このため、複数の半導体素子が積層された半導体装置において、装置全体が厚くならないようにして装置が大型化するのを防止することができる。
また、この発明に係る半導体装置により、電力変換装置を実現することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。図１に示すように、電力変換装置（半導体装置）１０は、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２の複数の半導体素子と共に、第１電力基板（基板）１３と第２電力基板（基板）１４、第１放熱器１５と第２放熱器１６を有している。第２電力基板１４は、一端側主面（表面）が段差面となるように屈曲して形成されており、第１電力基板１３の一端側主面上に第２電力基板１４の一端側主面を重ねて接続することにより、第２電力基板１４は、第１電力基板１３の上方に離間して位置する。

この電力変換装置１０は、以下の工程を経て形成される。
先ず、第１半導体素子１１を第１電力基板１３の主面上に実装すると共に、第２半導体素子１２を第２電力基板１４の主面上に実装する。そして、第１電力基板１３を、第１放熱器１５に、直接、又は絶縁領域１７或いはベースプレート（図示しない）を介して実装する。同様に、第２電力基板１４を、第２放熱器１６に、直接、又は絶縁領域１８或いはベースプレート（図示しない）を介して実装する。
次に、第１半導体素子１１の主面電極と第２半導体素子１２の主面電極が対向するように、第１電力基板１３の主面上に第２電力基板１４の主面を向かい合わせにして近接配置する。これにより、第１電力基板１３と第２電力基板１４は、それぞれの主面を対向させると共に各主面の間に空間を有することになる。

次に、第１半導体素子１１の主面電極上に、第１上面電極１９を実装し、その後、第１上面電極１９と第２半導体素子１２の主面電極を、高熱伝導性材料２０で接合する。そして、第１半導体素子１１の主面電極と第２半導体素子１２の主面電極が電気的に同電位である構成とする。また、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２は、互いに同一の電気的動作をしない構成とする。高熱伝導性材料２０としては、例えば、銀ペーストや、金属粒子又はセラミック粒子を含有しているエポキシ系或いはシリコン系接着剤等の導電性接着剤が用いられる。

ここで、第１電力基板１３と第２電力基板１４の接続は、例えば、溶接や超音波接合等により行う。また、第１半導体素子１１の主面電極と第１上面電極１９の接合、第１半導体素子１１の裏面電極と第１電力基板１３の実装接合、第２半導体素子１２の裏面電極と第２電力基板１４の実装接合は、それぞれ、例えば、はんだ２１を用いたはんだ付けで行なう。
この電力変換装置１０は、第１半導体素子１１を絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）とし、第２半導体素子１２を高速整流ダイオード（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅｓ：ＦＲＤ）とすることにより、スイッチ回路を形成する。

図２は、図１の電力変換装置により形成したスイッチ回路を用いた３相インバータ回路の回路図である。図２に示すように、電力変換装置１０により形成したスイッチ回路２２を用いた３相インバータ回路２３は、電動機２４を駆動する。
ＩＧＢＴ２５（第１半導体素子１１）の主面電極とＦＲＤ２６（第２半導体素子１２）の主面電極を、電気的に接続すると共に、ＩＧＢＴ２５の裏面電極とＦＲＤ２６の裏面電極を、電気的に接続する。これらの接続により、スイッチ回路２２を形成する。そして、このスイッチ回路２２を複数個直列乃至並列に接続することにより、３相インバータ回路２３を形成する。

即ち、電動機２４を駆動する３相インバータ回路２３は、一般的に、ＩＧＢＴ２５とＦＲＤ２６を並列接続したスイッチ回路２２を直列接続して、電気的な１相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）分の駆動回路を構成し、この駆動回路を３相分並列接続して、３相インバータ回路２３を構成する。３相インバータ回路２３の直流入力側には平滑コンデンサ２７と電源２８が接続される。なお、
上記構成を有する電力変換装置１０は、以下の効果を得ることができる。

第１に、半導体素子の温度上昇を顕著に抑制することができる。即ち、第１半導体素子１１が通電により発熱している場合、その熱は、第１半導体素子１１の裏面から第１電力基板１３を介して第１放熱器１５に伝わる。更に、第１半導体素子１１の主面側から第２半導体素子１２、そして、第２電力基板１４を介して、第２放熱器１６へも伝えることができる。
これにより、第１半導体素子１１の温度上昇を顕著に抑えることができると共に、第２半導体素子１２についても同様に温度上昇を顕著に抑制することができる。

ここで、本構成では、第１半導体素子１１の主面電極と第２半導体素子１２の主面電極が電気的に同電位であることにより、両半導体素子１１，１２の間で電気的な絶縁を得るために間隔を空ける必要が無く、両半導体素子１１，１２を十分に近接させた状態にすることができる。
また、両半導体素子１１，１２の主面電極の間、つまり、第１半導体素子１１の第１上面電極１９と第２半導体素子１２の主面電極を接合する高熱伝導性材料２０も絶縁体である必要が無い。このため、一般に、電気伝導性を有する接合材料は、絶縁性を有する接合材料よりも熱伝導性が良く、更に、絶縁性を必要としないので、薄くして熱抵抗を下げることができる。

この結果、両半導体素子１１，１２で生じた熱を、一方の半導体素子の主面側に対向して位置する他方の半導体素子を介して、他方の半導体素子側に配置された放熱器にも低熱抵抗により伝熱することができる。即ち、両半導体素子１１，１２の発熱を上下面の両方に低熱抵抗により伝熱することができるので、両半導体素子１１，１２における温度上昇を顕著に抑制することができる。
また、熱結合部分は、高熱伝導性材料２０である、例えば、銀ペースト等の導電性接着剤を用いているので、はんだ付けによる接合後は金属応力緩和不能であったのに対し、応力緩和が可能になる。

第２に、両半導体素子１１，１２の各主面側に、放熱経路を簡便、且つ、確実に設けることができる。
本構成では、第１半導体素子１１の主面側に対向して第２半導体素子１２を載せる構成を有している。ここで、単純に両半導体素子１１，１２を対向して接合させようとすると、これら半導体素子１１，１２がそれぞれ複数ある場合、第１半導体素子１１に対して第２半導体素子１２を固定する部分の形状精度によって、両半導体素子１１，１２の主面電極間隔がばらつく懸念がある。この場合でも、本構成では、高熱伝導性材料からなる高熱伝導性材料２０の潰れによって寸法ばらつきを吸収した後に、硬化させ接合することが可能である。

更に、第１の効果でも述べたように、両半導体素子１１，１２の主面電極が同電位であるので、両半導体素子１１，１２の間に絶縁材料を介在させる必要が無い。このため、介在させた絶縁材料の厚さばらつきによって、接合が不十分、且つ、不安定になることや、絶縁材料の表裏面と両半導体素子１１，１２の主面電極の接合を共に行なうことによって、製造工程が複雑になり製造コストが上昇することも、防止することができる。

第３に、第１半導体素子１１の主面上に第２半導体素子１２を載せる構成を有しているので、両半導体素子１１，１２を実装する部分の投影面積を大幅に減らすことができる。更に、第２の効果でも述べたように、両半導体素子１１，１２の主面電極の間に新たに絶縁材料を介在させず、且つ、主面電極が同電位であるので、両半導体素子１１，１２を十分に近接させて配置することができる。よって、電力変換装置１０の厚み増加を押さえると共に投影面積を大幅に抑えることができるので、装置全体を大幅に小型化することができる。

第４に、第３の効果によって、電力変換器１０の投影面積が減れば、両半導体素子１１，１２のそれぞれから、平滑コンデンサ２９（図２参照）までのバスバを大幅に短くすることができる。よって、このバスバの寄生インダクタンスが小さくなり、電力変換装置１０の大電流動作に対する安定度を著しく高めることができる。
なお、各半導体素子（１１，１２）と放熱器（１５，１６）との間の熱結合は、従来通り、半導体素子の裏面側を絶縁領域１７，１８或いはベースプレートを介して実装する。この熱結合を、十分に低い熱抵抗で確実に行なうことは困難では無い。

また、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２は、互いに同一の電気的動作をしない構成とすることにより、以下の効果を得ることができる。
電力変換器として、例えば、３相インバータ回路２３を例に挙げると、電力変換を行なうスイッチ回路２２は、ＩＧＢＴ２５に高速整流ダイオード（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅｓ：ＦＲＤ）２６が並列接続されている構成が一般的である。

この第１半導体素子１１をＩＧＢＴ２５、第２半導体素子１２をＦＲＤ２６とした場合は、両半導体素子１１，１２の裏面側電極は同電位になり、且つ、主面電極も同電位になる。そして、並列接続されているＩＧＢＴ２５とＦＲＤ２６は、スイッチング動作での極短時間の遷移状態を除けば、ＩＧＢＴ２５とＦＲＤ２６の両方に電流が流れることは無い。更に、３相インバータ回路２３が電動機２４を力行状態にしているときは、主に、ＩＧＢＴ２５に電流が流れ、３相インバータ回路２３が電動機２４を回生状態にしているときは、主に、ＦＲＤ２６に電流が流れる。このため、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２に同時に大電流が流れて、大きな発熱が生じることは無い。

よって、電動機２４を力行駆動して、主に、ＩＧＢＴ２５である第１半導体素子１１が発熱している間は、第１半導体素子１１の裏面側と主面側の両方から放熱される。このとき、第２半導体素子１２の発熱は小さく、第１半導体素子１１の放熱に悪影響を与えることはない。また、電動機２４を回生駆動している間は、主に、ＦＲＤ２６である第２半導体素子１２が発熱し、素子の裏面側と主面側の両方から放熱される。このとき、第１半導体素子１１の発熱は小さく、第２半導体素子１２の放熱に悪影響を与えることはない。つまり、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２が上下に積層された状態であるが、大きな発熱を生じる素子は１個であるため、その発熱を上下に放熱することができる。また、半導体素子同士の熱が加わって、過剰に発熱してしまう懸念は無い。

また、第１上面電極１９と第２半導体素子１２の主面電極を、高熱伝導性材料２０である導電性接着剤で接合する構成とすることにより、以下の効果を得ることができる。
第１に、製造工程が更に容易になる。即ち、導電性接着剤は、塗布後に熱硬化処理を行なえばよいので、本構成のような複数の部品を積層する構造であっても、常温で導電性接着剤を塗布し、その後、熱硬化をすれば、容易に形成することができる。

第２に、材料の寸法公差ばらつきが生じてしまうことによる問題を容易に解決することができる。即ち、本構成のような複数の材料を積層する構造、更に、半導体素子部分の積層構造以外に、第１電力基板１３と第２電力基板１４とを直接又は接続用の電極を介して接続する場合は、各部材の寸法公差による精度ばらつきが発生することが避けられないが、本構成では、導電性接着剤が熱硬化処理前は容易に変形可能な性質を利用し、接着剤の潰れにより寸法公差のばらつきを吸収することができる。
また、電力変換装置１０の第１半導体素子１１を絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とし、第２半導体素子１２をダイオードとすることにより、スイッチ回路を形成する構成とすることにより、以下の効果を得ることができる。

３相インバータ回路２３を構成するＩＧＢＴ２５とＦＲＤ２６からなるスイッチ回路２２の投影面積を大幅に減らすことができる。これにより、３相インバータ回路２３を大幅に小型化することができる。合わせて、ＩＧＢＴ２５とＦＲＤ２６が、同時に大きな発熱を生じることは無く、且つ、ＩＧＢＴ２５とＦＲＤ２６が何れも裏面と主面の双方から放熱することできる。これにより、３相インバータ回路２３を更に小型化することができる。
（第２実施の形態）

図３は、この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。図３に示すように、電力変換装置３０は、第１上面電極１９の主面（表面）の上に第２上面電極３１を配置し、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２の間に、第１上面電極１９と第２上面電極３１を介在させている。その他の構成及び作用は、第１実施の形態の電力変換装置１０と同様である。

この電力変換装置３０を形成する場合、第２半導体素子１２の主面に第２上面電極３１を実装して、第１上面電極１９と第２上面電極３１を電気的に接続する。それと共に、第１半導体素子１１の主面電極に対応する第１上面電極１９と、第２半導体素子１２の主面電極に対応する第２上面電極３１を、第１上面電極１９の主面に第２上面電極３１の段差面となるように屈曲して形成された一端側主面を載置して、両上面電極１９，３１間に層状に位置する高熱伝導性材料２０により接合する。なお、第２半導体素子１２の主面電極と第２上面電極３１の接合には、例えば、はんだ２１を用いたはんだ付けで行う。
上記構成を有する電力変換装置３０は、第１実施の形態の電力変換装置１０の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。

第１に、電気的な接続をより一層確実に行なうことができる。例えば、３相インバータ回路２３において、電力制御を行なうために並列に接続されている第１半導体素子１１（ＩＧＢＴ２５）と第２半導体素子１２（ＦＲＤ２６）のそれぞれの主面電極は、前述したように同電位となる。この場合、各上面電極１９，３１をはんだ付け等で主面電極に接続すると共に、各上面電極１９，３１同士を接続すれば、両主面電極の間の電気的接続を確実に行うことができる。
また、高熱伝導性材料２０は、必ずしも大電流を流すことに適さない場合もあるが、本構成では、このような場合でも大電流を確実に流せる電気的接続を、各上面電極１９，３１で確実、且つ、容易に行うことができる。なお、両上面電極１９，３１間の熱結合は、高熱伝導性材料２０でもって行なえば良い。

ここで、両半導体素子１１，１２の裏面側電極も電気的に接続する場合は、これら半導体素子１１，１２が実装されている第１電力基板１３と第２電力基板１４を電気的に接続すれば良い。
第２に、各上面電極１９，３１が、各半導体素子１１，１２で生じた熱を上面側に伝熱する際にヒートスプレッダとして機能する。即ち、高熱伝導性材料２０の熱抵抗は、金属の値ほど低くない場合が多いが、本構成では、熱が高熱伝導性材料２０に達する前に、低熱抵抗の金属からなる各上面電極１９，３１でヒートスプレッドすることができる。よって、この高熱伝導性材料２０部分での温度勾配を、更に低減することができ、各半導体素子１１，１２の温度をより一層、且つ、容易に低減することができる。
（第３実施の形態）

図４は、この発明の第３実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。図４に示すように、電力変換装置３５は、第１上面電極３６の主面（表面）の上に、金属体３７を介して第２上面電極３８を配置し、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２の間に、金属体３７を上下（表裏面）両側から挟み込む第１上面電極３６と第２上面電極３８を介在させている。また、第１配線電極３９と第２配線電極４０を設け、第１半導体素子１１の主面電極又は第１上面電極３６と第１配線電極３９を、第２半導体素子１２の主面電極又は第２上面電極３８と第２配線電極４０を、それぞれボンディングワイヤ４１を用いたワイヤボンディングにより接続する。その他の構成及び作用は、第２実施の形態の電力変換装置３０と同様である。

この電力変換装置３５を形成する場合、第１半導体素子１１の主面電極上に、中央部に凹部を有する皿形状の第１上面電極３６を実装し、第２半導体素子１２の主面電極上に、中央部に凹部を有する皿形状の第２上面電極３８を実装する。そして、対向配置した第１上面電極３６の凹部と第２上面電極３８の凹部の間に、金属体３７を配置し、第１上面電極３６の凹部と金属体３７、及び第２上面電極３８の凹部と金属体３７を、それぞれ高熱伝導性材料２０で接合する。なお、第１半導体素子１１の主面電極と第１上面電極３６、及び第２半導体素子１２の主面電極と第２上面電極３８は、例えば、はんだ２１を用いたはんだ付けにより接合する。また、高熱伝導性材料２０として、例えば、銀ペースト等の導電性接着剤が用いられる。

また、第１電力基板１３の他端側に離間して第１配線電極３９を、第２電力基板１４の他端側に離間して、他端側主面が段差面となるように屈曲して形成された第２配線電極４０を、それぞれ設ける。即ち、第１電力基板１３の側方に第１配線電極３９が、第２電力基板１４の側方に第２配線電極４０が、それぞれ並設されている。なお、第１配線電極３９と第２配線電極４０を電気的に接続すれば、第１半導体素子１１の主面電極と第２半導体素子１２の主面電極が電気的に接続される。
上記構成を有する電力変換装置３５は、第２実施の形態の電力変換装置３０の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。

第１に、半導体素子の主面側電極から放熱器に至る熱抵抗を低減した状態で、電力変換装置３５を容易に製造することができる。つまり、両半導体素子１１，１２の上面電極３６，３８同士を高熱伝導性材料２０で接合する際、高熱伝導性材料２０の厚さを百乃至数百μｍ程度に抑えることが望ましい。しかしながら、両半導体素子１１，１２の上面電極３６，３８をこの程度まで単純に近づけると、両上面電極３６，３８同士の接続、或いは半導体素子１１，１２が実装されている第１電力基板１３と第２電力基板１４の間の電気的接続に支障をきたす可能性がある。本構成では、高熱伝導性材料２０を薄く保ったまま、両上面電極３６，３８の間に適宣な間隙を設けることができるので、容易に製造することができる。

第２に、熱抵抗を更に低減することができる。つまり、金属体３７がヒートスプレッダとして機能するので、熱抵抗を低減することができ、温度上昇を更に抑制することができる。併せて金属体３７が持つ熱容量により、過渡的な発熱による温度上昇を更に抑制することができる。
ここで、例えば、電力変換装置３５が、電動自動車用の３相インバータ回路２３とすると、この３相インバータ回路２３が特に過大な発熱をするのは、電動自動車の発進時等の短時間に限られる可能性が高い。この際、本構成では熱容量を大きくすることができるので、短時間大発熱での温度上昇も効果的に抑制することができる。

第３に、高熱伝導性材料２０を上面電極３６，３８に塗布する際に、半導体素子の主面電極以外の部分に溢れることを防止できる。即ち、各上面電極３６，３８が、各半導体素子１１，１２の外側部分まで張り出すと共に、高熱伝導性材料２０を塗布する部分は、凹んだ皿形状の領域であるので、各上面電極３６，３８の凹部周辺の皿形状部分が、高熱伝導性材料２０の溢れ出しを防止する。このため、高熱伝導性材料２０が溢れ出たことで各半導体素子１１，１２の主面電極と裏面側電極が短絡してしまうのを、確実、且つ、容易に防止することができる。
なお、各上面電極３６，３８に設けた凹部に金属体３７を配置するので、この凹部が金属体３７の位置合わせ機能を有する。このため、金属体３７を容易に配置することができる。

更に、各上面電極３６，３８が皿形状で、各半導体素子１１，１２の主面端部に接しない形状とすることが容易であるので、各半導体素子１１，１２の主面電極と主面端部が、各上面電極３６，３８を介して接してしまう事態を確実に防止することができる。
また、各半導体素子１１，１２の主面電極又は各上面電極３６，３８と、各配線電極３９，４０の電気的な接続が容易になる。即ち、各半導体素子１１，１２の主面電極又は各上面電極３６，３８と、各配線電極３９，４０の高さが同じにならない場合もあるが、この場合、各上面電極３６，３８の端部を曲げて各配線電極３９，４０に直接接合しようとしても、曲げ加工精度や接合方法の問題で必ずしも円滑に接続できるわけではない。本構成では、異なる高さの電極間の接続はボンディングワイヤ４１によるワイヤボンディングで行うので、容易に接続することができる。

このため、電気的な接続を、一般的なワイヤボンディングにより確実、容易に行った状態で、高熱伝導性材料２０よる結合により、各半導体素子１１，１２の裏面側だけでなく上面側からも放熱することができる。ここで、本構成では、各上面電極３６，３８自体が金属体からなり剛性を有することから、各上面電極３６，３８にワイヤボンディングによりボンディングワイヤ４１を接続することも簡単、且つ、確実にできる。
（第４実施の形態）

図５は、この発明の第４実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。図５に示すように、電力変換装置４５は、第１上面電極３６と第２上面電極３８に代えて、各上面電極３６，３８に金属体３７を配置する凹部を設けずに形成した、第１上面電極４６と第２上面電極４７を有しており、両上面電極４６，４７の少なくとも一方には、主面側に凸部（突形状）を有している。また、この凸部を介して、高熱伝導性材料２０により、第１上面電極４６と第２上面電極４７を接合している。その他の構成及び作用は、第３実施の形態の電力変換装置３５と同様である。

この電力変換装置４５を形成する場合、両上面電極４６，４７の少なくとも一方、例えば、第１上面電極４６の主面側に形成された、台状の凸部４６ａ（図５参照）と、第２上面電極４７を対向配置し、凸部４６ａと第２上面電極４７の間に配置した高熱伝導性材料２０を介して、第１上面電極４６と第２上面電極４７を接合する。
上記構成を有する電力変換装置４５は、第３実施の形態の電力変換装置３５の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。

第１に、凸部を有する上面電極（第１上面電極４６と第２上面電極４７の少なくとも一方）は、電力変換装置３５の中央部に凹部を有する皿形状の上面電極（第１上面電極３６或いは第２上面電極３８）と金属体３７（図４参照）を一体にした構造と見なすことができる。よって、金属体３７を省略することができるので、部品点数の低減と製造工程の簡略化を図ることができる。
なお、第３実施の形態の電力変換装置３５における第１及び第２の効果は、同様に得ることができる。また、各上面電極３６，３８自体は、各半導体素子１１，１２から外側に張り出した形状であるので、電力変換装置３５における第３の効果と同様に、高熱伝導性材料２０の溢れによる各半導体素子１１，１２の主面側電極と裏面側電極の短絡を防止することができる。

また、電力変換装置３５に比べ高熱伝導性材料２０の塗布層数を減らすことができるので、高熱伝道性材料２０全体を薄くすることができる。よって、熱抵抗を更に低減することができ、各半導体素子１１，１２の温度上昇を抑制することができる。
（第５実施の形態）

図６は、この発明の第５実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。図６に示すように、電力変換装置５０は、第３実施の形態の電力変換装置３５の第１半導体素子１１の主面に絶縁枠５１を、第２半導体素子１２の主面に絶縁枠５２を、それぞれ設け、絶縁枠５１の内側に第１上面電極３６を、絶縁枠５２の内側部分に第２上面電極３８を、それぞれ配置する。また、各絶縁枠５１，５２の外側部分に、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２の制御電極を配置する。その他の構成及び作用は、第３実施の形態の電力変換装置３５と同様である。

この電力変換装置５０を形成する場合、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２の各主面に、共に絶縁材料で形成した絶縁枠５１と絶縁枠５２を、それぞれ実装する。そして、各絶縁枠５１，５２の内側部分に、第１上面電極３６と第２上面電極３８をそれぞれ実装する。更に、各絶縁枠５１，５２の外側部分に、第１半導体素子１１と第２半導体素子１２の制御電極（ゲート電極）を配置する。なお、この実施の形態に係る電力変換装置５０では、ＩＧＢＴ２５である第１半導体素子１１の制御電極とゲート信号基板５３をボンディングワイヤ５４により接続する（第２半導体素子１２はＦＲＤ２６）。
上記構成を有する電力変換装置５０は、第１〜３実施の形態の電力変換装置の効果に加えて、以下の効果を得ることができる。

各半導体素子１１，１２の主面電極は、各絶縁枠５１，５２の内側で各上面電極３６，３８に接続され、各半導体素子１１，１２の主面側に設けられている制御端子は、各絶縁枠５１，５２の外側、即ち、各絶縁枠５１，５２で主面電極と仕切られた領域に位置することになる。よって、制御端子が、この主面端子と各上面電極３６，３８を接合する際の実装材料、つまり、はんだ材料や高熱伝導性材料に接触してしまうことを確実に防止することができる。

なお、上述した各実施の形態は、何れも電力基板として金属板を想定し、この金属板を絶縁領域を介して放熱器上に実装する構成で説明した。しかしながら、本発明は、上記構成に限らず、電力基板として表面に金属領域を有する絶縁基板を用いて、この金属領域上に半導体素子を実装しても良い。また、この絶縁基板は、直接或いはベースプレートを介して放熱器上に実装すればよい。
また、各実施の形態は、電力変換回路について説明したが、電力変換回路に限らず、スイッチング電源回路、Ｈブリッジ回路等にも適用することができる。

この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。 図１の電力変換装置により形成したスイッチ回路を用いた３相インバータ回路の回路図である。 この発明の第２実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。 この発明の第３実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。 この発明の第４実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。 この発明の第５実施の形態に係る電力変換装置の断面構造を示す説明図である。 従来の半導体装置の構成を示す断面説明図である。

符号の説明

１０，３０，３５，４５，５０ 電力変換装置
１１ 第１半導体素子
１２ 第２半導体素子
１３ 第１電力基板
１４ 第２電力基板
１５ 第１放熱器
１６ 第２放熱器
１７，１８ 絶縁領域
１９，３６，４６ 第１上面電極
２０ 高熱伝導性材料
２１ はんだ
２２ スイッチ回路
２３ ３相インバータ回路
２４ 電動機
２５ ＩＧＢＴ
２６ ＦＲＤ
２７ 平滑コンデンサ
２８ 電源
３１，３８，４７ 第２上面電極
３７ 金属体
３９ 第１配線電極
４０ 第２配線電極
４１，５４ ボンディングワイヤ
４２ 第１絶縁層
４３ 第２絶縁層
４６ａ 凸部
５１，５２ 絶縁枠
５３ ゲート信号基板

Claims (7)

1. 主面電極同士が電気的に同電位の第１半導体素子及び第２半導体素子と、
   第１基板を介して前記第１半導体素子を積層した第１放熱器と、
   前記第１基板と主面同士を対向配置して接合した第２基板を介して前記第２半導体素子を積層した第２放熱器と、
   前記第１半導体素子と前記第１半導体素子に対向配置した前記第２半導体素子との間に積層され、前記第２半導体素子の主面電極に高熱伝導性材料で接合した第１上面電極と、
   前記第２半導体素子の主面に高熱伝導性材料により接合されて、前記第１上面電極と電気的に接続される第２上面電極と、
   前記第１上面電極の主面及び前記第２上面電極の主面に凹部を形成し、対向する両凹部の間に配置されて両凹部と高熱伝導性材料により接合された金属体とを有する半導体装置。
2. 前記第１基板は前記第１放熱器の上に、前記第２基板は前記第２放熱器の上に、それぞれ直接又は絶縁領域或いはベースプレートを介して接合されている請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１半導体素子と前記第２半導体素子は、同一の電気的動作をしない請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記第１半導体素子の主面電極又は前記第１上面電極と、前記第１電力基板に並設した第１配線電極を、前記第２半導体素子の主面電極又は前記第２上面電極と、前記第２電力基板に並設した第２配線電極を、それぞれワイヤボンディングにより接続する請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子の各主面に、前記第１上面電極及び前記第２上面電極を内側に位置させ、前記第１半導体素子及び前記第２半導体素子の各制御電極を外側に位置させる、絶縁枠を形成した請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記高熱伝導性材料が導電性接着剤である請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置の前記第１半導体素子を絶縁ゲート型バイポーラトランジスタとし、前記第２半導体素子をダイオードとして、
   前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の主面電極同士を電気的に接続すると共に、前記第１半導体素子と前記第２半導体素子の裏面電極同士を電気的に接続することによりスイッチ回路を形成し、
   前記スイッチ回路を複数個用いてインバータ回路を形成した電力変換装置。

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