JP7186955B2

JP7186955B2 - 半導体装置および半導体システム

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Publication number: JP7186955B2
Application number: JP2021062120A
Authority: JP
Inventors: 秀彰 ▲柳▼田; 尚吾水本
Original assignee: Flosfia Inc
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Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2022-12-12
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Also published as: JP2022157728A

Description

本発明は半導体素子を搭載する半導体装置および半導体システムに関する。本発明は、特に、筐体内部の半導体素子等から発生する熱を筐体外部に効果的に導くことが可能な半導体装置および半導体システムに関する。

半導体素子を搭載した回路基板を積層することで半導体装置を三次元的に高密度実装する、いわゆる電子部品内蔵モジュール化技術が知られている。特に、スイッチング機能を備えたＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体素子をモジュール化する場合には、半導体素子やその電気回路の構成部品が比較的大きな発熱量を持つ。そのため、この熱をいかにしてモジュール外部に放熱するかの検討が進められている。例えば、特許文献１に開示された半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴからなる半導体素子（半導体デバイスＱ１０）の上面に、放熱経路を確立するためのポスト部３５Ｔの基端が接続されることで、半導体素子の上面から発生する熱をモジュール上面の上部や下部に放熱する構成が開示されている。

ＷＯ２０１８／０４７４８５号公報

特許文献１の構成では、半導体素子の上面から発生する熱を効果的にモジュール外部に放熱できる。しかし、モジュールの小型化や高密度化が進むと、半導体素子の局所的な放熱であってもその熱が素子全体を温度上昇させ、その熱は半導体素子全体から放熱される。したがって、半導体素子の特定の面だけに着目した放熱構造では、モジュール全体の温度上昇を抑制することが難しくなり、半導体装置の安定した動作を長期にわたって維持することが困難となる。
そこで本発明は、半導体素子の発熱を効果的に吸収し放熱する機能を設けることで信頼性の向上を図ることが可能な半導体装置の提供を目的とする。

本発明者らは、以下に示す半導体装置が、上記した従来の課題を解決できることを見出した。
本発明の実施形態に係る半導体装置は、第１の基板と第２の基板との間に少なくとも１つの半導体素子が配置されている積層体を含む半導体装置であって、前記半導体素子の近傍で且つ前記第１の基板と略同じ積層方向高さの位置に、前記第１の基板および前記第２の基板とは異なる第３の基板に熱的に接続されている熱伝導部が設けられており、前記熱伝導部が、前記半導体素子とは電気的に絶縁されており、前記熱伝導部が前記半導体素子の周囲に配置されていることを特徴とする半導体装置である。

上記のように構成された本発明の実施形態によれば、半導体素子の周囲に配置された熱伝導部が半導体素子から発生する熱を吸収し放熱に供することができる。したがって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。本発明の第１の実施形態における熱伝導部の一例を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態における熱伝導部の他の例を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示すブロック構成図である。本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの一例を示す回路図である。本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図である。本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示す回路図である。

以下、本発明に係る幾つかの実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、同一構成要素には同一符号を付すことで、重複する説明を省略する。

図１は本発明に係る半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。図１に示すように半導体装置１１０は、回路基板１（第１の基板）上に設けられた第１および第２の半導体素子２，３を有する。本実施形態においては、第１の半導体素子２は、スイッチング機能を備えたＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等のスイッチング素子であり、また、第２の半導体素子３は、半導体部品であるＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）やＰｉＮダイオードなどのダイオードが挙げられるが、これに限定されるものではない。

回路基板１の下層には、第１の金属基板４と第２の金属基板５が互いに平行となるように積層配置されている。回路基板１と第１の金属基板４とはビア６で接続され、第１の金属基板４と第２の金属基板５とはビア７で接続されている。これらの構成によって、第１および第２の半導体素子２，３はその下面から回路基板１、第１の金属基板４、第２の金属基板５に至る経路で電気的接続および熱的接続を図っている。回路基板１の上層には、第３の金属基板（第２の基板）８が平行に積層されることで、第１および第２の半導体素子２，３はこれら回路基板１と第３の金属基板８の間に配置される関係となっている。回路基板１と第３の金属基板８との間はビア９，１０で接続されている。これらの構成によって、第１および第２の半導体素子２，３はその上面から第３の金属基板８に対して電気的接続および熱的接続を図っている。
また、ここでは図示しないが、本発明の実施形態において、半導素子２は、半導体層、半導体層の第１の面上に設けられた第１の電極、半導体層の前記第１の面とは反対側の第２の面上に設けられた第２の電極を有する。半導体素子２は、いわゆる縦型デバイスである。また、本発明の実施形態において、前記第２の電極は、ビア９を介して第２の基板（第３の金属基板）８と電気的および熱的に接続されている。また、第２の金属基板５と第３の金属基板８とはスルーホール１１によって電気的に接続されている。これらビア６，７，９，１０やスルーホール１１などによる電気的接続および熱的接続のために、主に銅（Ｃｕ）を主成分とする材料が用いられている。

回路基板１の近傍には、所定の隙間１２ａを介して回路基板１を囲むように、外周基板（第３の基板）１３が配置されている。外周基板１３と回路基板１は図１の断面方向から見て、その積層方向にて略同一高さの位置に配置されている。外周基板１３上には熱伝導部材（熱伝導部）１４が配置されている。熱伝導部材１４は、熱伝導率の大きな材料で、かつ、熱的に等方性を持つ材料から選定されるのが好ましい。熱伝導部材１４は、例えば銅（Ｃｕ）を主成分とした材料で形成され、上下面での受放熱特性（熱伝導率）と側面での受放熱特性（熱伝導率）とが同じに設計されている。

第１の金属基板４と第２の金属基板５の周囲にも同様に、所定の隙間１２ｂ，１２ｃを介して、外周基板１５（第４の基板），１６が設けられている。外周基板１５，１６の厚みや構成材料は、第１および第２の金属基板４，５と同じである。隙間１２ａの寸法と隙間１２ｂ，１２ｃの寸法は同じであっても異なっていてもよいが、本発明においては、隙間１２ａの寸法が小さく設定されている方がより望ましい。

外周基板１３と外周基板１５とはビア１７で接続され、また外周基板１５と外周基板１６とはビア１８で接続されている。外周基板１３、外周基板１５、外周基板１５、ビア１７，１８はそれぞれ、熱伝導率の大きな材料である銅（Ｃｕ）を主成分とする材料で形成されている。

第３の金属基板８の上部には、半導体装置１１０のモジュール外壁を構成する樹脂層１９が積層されている。樹脂層１９は電気絶縁性を備えた材料であり、半導体装置１１０のモジュール外部への電流の漏出を遮蔽し防止する。樹脂層１９としては、例えばＴＩＭ（Thermal Interface Material）などの樹脂シートが用いられる。

また、モジュールの内部空間にも、電気絶縁性を備えた材料が充填されている。モジュールの内部空間に充填されている材料としては、例えばプリプレグなどの繊維含侵樹脂が用いられる。

図２は、本発明の実施形態に係る熱伝導部１４とその近傍の構成を示した斜視図である。図２に示すように、回路基板１は矩形状をなし、回路基板１の外周に沿うように、外周基板１３が配置されている。回路基板１と外周基板１３とは所定の隙間１２ａを介して、非接触で近接した状態で配置されている。回路基板１には図示しない電気配線パターンが形成され、第１および第２の半導体素子２，３との電気的な導通を行うが、外周基板１３には電気配線パターンは形成されていない。また、回路基板（第１の基板）１と外周基板（第３の基板）１３との隙間１２ａにはプリプレグなどの電気絶縁材料が充填されているため、両者は電気的には絶縁され、熱的には接続している。

外周基板１３の上面には熱伝導部材１４が配置されている。本実施形態では、外周基板１３と熱伝導部材１４は共にロ字型の形状をなしている。熱伝導部材１４の幅は、外周基板１３の幅と同じか、やや小さく形成される。熱伝導部材１４の厚みは、第１および第２の半導体素子２，３の厚みと同等でもよいが、空間的な余裕がある限りにおいては、第１および第２の半導体素子２，３の厚みよりも大きい方が好ましい。外周基板１３が回路基板１を取り囲むように配置されることで、熱伝導部材１４が第１および第２の半導体素子２，３を取り囲んでいる。

なお、熱伝導部材１４を外周基板１３上に形成する方法としては、接着やめっき、あるいは拡散接合などを利用することが可能である。

以上のように構成された本発明の第１実施形態に係る半導体装置１１０の動作について詳しく説明する。

図示しない制御対象に所定の電力を供給するために、第１の半導体素子２（例えばＩＧＢＴ）のゲート電極に制御信号を与えることでエミッタから電流が出力される。また、エミッタからの出力を第２の半導体素子３（例えばＳＢＤ）を介してコレクタに還流することで、過剰キャリアを除去した安定なスイッチング動作が行われる。このスイッチングの切替タイミングを制御することで、制御対象に安定した電力を供給し、また状況に応じて電圧を変化させることで、制御対象に所望の動作を行わせる。これら一連の制御動作に係る制御信号や入出力電力は、半導体素子２，３の下面から回路基板１、ビア６、第１の金属基板４、ビア７を経由して第２の金属基板５に至る電気経路と、半導体素子２，３の上面からビア９、第３の金属基板８、スルーホール１１を経由して第２の金属基板５に至る電気経路とを用いることにより行われる。すなわち、半導体装置１１０内部の積層体を構成する各基板を経由させることで、電力や制御信号の入出力が行われる。

スイッチング動作の継続により、半導体素子２，３は徐々に発熱する。半導体素子２，３の発熱量は電極付近が最も大きいため、半導体素子の電極面側に熱伝導率の高い材料を接続した上で、モジュール外部に熱を導くことで放熱する。そして、半導体素子がいわゆる縦型デバイスの場合には、半導体素子の両面に放熱構造を設ける。本実施形態の半導体素子２，３は共に縦型デバイスであるため、上述した２つの電気経路を利用して放熱を行う。すなわち、半導体素子２，３の下面からの熱を第２の金属基板５まで熱伝導することで、第２の金属基板５の下面に接続された図示しないヒートシンク等から放熱する。また、半導体素子２，３の上面からの熱を第３の金属基板８に熱伝導することで、樹脂層１９の上面に接続された図示しない放熱フィン等から放熱する。すなわち、半導体装置１１０内部の積層体を構成する各基板を経由させることで、積層方向への伝熱経路を用いた放熱が行われる。

本発明の実施形態では、半導体素子２，３の上面と下面に加えて、半導体素子２，３の側面方向へ放出される熱を吸収し放熱するための放熱構造を備えている。すなわち、図１における半導体素子２の左側面と、半導体素子３の右側面は、いずれも熱伝導部材１４に対向配置する関係に構成されていることから、図１中に矢印で示すように、側面方向へ放出される熱を効果的に吸収することが可能となっている。また、図２に示すように、熱伝導部材１４は半導体素子２，３の周囲を取り囲むように配置されているため、これら半導体素子２，３のいずれの側面からの放熱も確実に吸収することができる。特に、熱伝導部材１４が途切れなく連続的に構成された環状の形状であることから、熱伝導部材１４が全体的に均一温度となり易く、外周基板１３との接触面全体を有効に利用した熱伝導が可能となる。

そして、熱伝導部材１４によって吸収された熱は、図１中に矢印で示すように、熱的に接続された外周基板１３、ビア１７、外周基板１５、ビア１８、外周基板１６を経由して、外周基板１６の下面に接続された図示しないヒートシンク等に到達することで、モジュール外部に放熱される。すなわち、熱伝導部材１４を用いることで、熱伝導部材１４の側面で受熱がなされ、受熱方向とは直交する方向である熱伝導部材１４の下面から下方向に熱伝導することで放熱が行われる。受熱面と放熱面とが直交の関係にある放熱経路を実現するために、熱伝導部材１４として熱伝導率に等方性を持つ材料で形成されることが望ましい。特に、熱伝導率が大きくかつ電気伝導率にも優れた銅（Ｃｕ）を主成分とする材料で形成することで、回路基板やビアとの接続性にも優れた熱伝導部材１４が実現する。

このような動作が行われる本発明の実施形態によれば、半導体素子の周囲に配置された熱伝導部材が半導体素子の側面方向へ放出される熱を効果的に吸収し放熱に供することができる。したがって、放熱性能が極めて良好となることから、半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、本発明の実施形態によれば、第２の基板（第３の金属基板）１３を電気的な導通のためには用いずに熱的な導通のみに用いている。したがって、上述した半導体素子の側面方向からの発熱についての放熱経路に関する設計の自由度をより高めることができる。本発明の実施形態によれば、第１の半導体素子２および第２の半導体素子３が搭載されている回路基板１の外周を囲って熱伝導部材が配置されている。そのため、第１の半導体素子２および第２の半導体素子３との電気的な接続に影響を与えることなく、それぞれの半導体素子の側面方向への放熱性を高めることができる。

また、本実施形態の半導体素子２，３は共に縦型デバイスであるため、その各電極に対応する回路基板１および第３の基板８には電気回路が形成される。電気回路を形成するためには、絶縁確保や配線設計の関係上、基板全体を銅などの熱伝導率の高い材料で製作することができない。したがって、横型デバイスを用いる場合に比べて各基板からの放熱量が少なくなる。しかし、本発明に係る熱伝導部１４を用いることで、電気回路が形成された回路基板１および第３の基板８からの放熱に加えて、熱伝導部１４を介した放熱が可能となることから、放熱効果を向上させることができるようになる。

図３は、本発明に係る半導体装置の第２実施形態を示す斜視図である。この第２実施形態では、第１実施形態の熱伝導部材１４とは異なる熱伝導部材２０が用いられている。すなわち、熱伝導部材２０ａ～２０ｄは独立した４つの部材からなり、外周基板１３の四隅を除いた直線部分にそれぞれ断続的に配置されている。いずれの熱伝導部材２０ａ～２０ｄも、対向する半導体素子２,３の側面に沿った状態で半導体素子２，３の側面と平行に配置されている。また、熱伝導部材２０ａ～２０ｄの側面と半導体素子２,３の側面とはほぼ等距離に配置されている。熱伝導部材２０ａの長辺の長さは、対向する第２の半導体素子３の側面の長さ以上に設定され、熱伝導部材２０ｃの長辺の長さは、対向する第１の半導体素子２の側面の長さ以上に設定されている。また、熱伝導部材２０ｂ，２０ｄの長辺の長さは、並設された第１の半導体素子２と第２の半導体素子３の合計長以上に設定されている。上述した熱伝導部材１４と同様に、熱伝導部材２０ａ～２０ｄも銅（Ｃｕ）を主成分とする材料から形成されている。

このように構成された熱伝導部材２０ａ～２０ｄは、少なくとも第１の半導体素子２と第２の半導体素子３のいずれかの側面に等距離で対向していることから、放熱側に最も近い位置に熱伝導部材を設けた効率的な構成である。また、それぞれの熱伝導部材２０ａ～２０ｄを矩形状の部材のみで構成することができるため、外周基板１３上への製作も極めて容易である。

図４は、本発明に係る半導体装置の第３実施形態を示す断面図である。本実施形態における半導体装置１２０は、第３の金属基板８の上部全体を遮蔽層２１で覆うように構成されている。遮蔽層２１は例えば銅（Ｃｕ）を主成分とする材料で形成されている。、遮蔽層２１は、ビア２２および第４の金属板２３を介して熱伝導部材２４と熱的に接続されている。図４中に矢印で示すように、半導体素子２，３からの発熱は、熱伝導部材２４の側面で受熱され吸収される。そして、熱伝導部材２４に伝わった熱は、熱伝導部材２４の下面に熱的に接続された外周基板１３、ビア１７、外周基板１５、ビア１８、外周基板１６を経由し、外周基板１６の下面に接続された図示しないヒートシンク等に到達することで、モジュール外部に放熱される。さらに本実施形態では、熱伝導部材２４の上面に熱的に接続されたビア２２や第４の金属板２３を経由して、樹脂層１９の上面に接続された図示しない放熱フィン等からも放熱が行われる。すなわち、熱伝導部材２４を用いることで、熱伝導部材２４の側面で受熱がなされ、受熱方向とは直交する方向である熱伝導部材２４の下面から下方向への熱伝導と、熱伝導部材２４の上面から上方向への熱伝導とによる放熱が行われる。本実施形態の場合も、受熱面と放熱面とが直交の関係にある放熱経路を実現するために、熱伝導部材２４として熱的に等方性を持つ材料で形成されることが望ましい。特に、熱伝導率が大きくかつ電気伝導率にも優れた銅（Ｃｕ）を主成分とする材料で形成することで、回路基板やビアとの接続性にも優れた熱伝導部材２４が実現する。このような構成の半導体装置１２０によれば、上述した放熱効果に加えて、モジュール内部から発生する電磁ノイズがモジュール外部に放出されるのを遮断することが可能となる。

本発明の実施形態に係る半導体装置は、パワー半導体の半導体材料として広く知られている炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）などが用いられた半導体素子を含む場合に有用である。特に、バンドギャップの高いコランダム構造の酸化ガリウム（α－Ｇａ２Ｏ３）や、βガリア構造の酸化ガリウム（β－Ｇａ２Ｏ３）が用いられた半導体素子を含む場合に極めて有用であり、半導体装置の高密度化のみならず信頼性向上にも貢献する。

なお、上述した本発明に係る複数の実施形態を組合わせたり、一部の構成要素を他の実施形態に適用することももちろん可能であり、そのようなものも本発明の実施形態に属する。
本発明の実施形態においては、第１の半導体素子１および第２の半導体素子に加えて、さらに他の半導体素子がさらに内蔵されていてもよい。また、他の受動部品（例えば、コンデンサ、コイルまたは抵抗等）が半導体装置にさらに内蔵されていてもよい。本発明の実施形態においては、上記した半導体装置をサブモジュールとした上で、これらサブモジュールを複数組み合わせてモジュールを形成して使用してもよい。

上述した本発明の実施形態に係る半導体装置は、上記した機能を発揮させるべく、インバータやコンバータなどの電力変換装置に適用することができる。図５は、本発明の実施形態に係る半導体装置を用いた制御システムの一例を示すブロック構成図、図６は同制御システムの回路図であり、特に電気自動車（Electric Vehicle）への搭載に適した制御システムである。

図５に示すように、制御システム500はバッテリー（電源）501、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504、モータ（駆動対象）505、駆動制御部506を有し、これらは電気自動車に搭載されてなる。バッテリー501は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの蓄電池からなり、給電ステーションでの充電あるいは減速時の回生エネルギーなどにより電力を貯蔵するとともに、電気自動車の走行系や電装系の動作に必要となる直流電圧を出力することができる。昇圧コンバータ502は例えばチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であり、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、チョッパ回路のスイッチング動作により例えば650Vに昇圧して、モータなどの走行系に出力することができる。降圧コンバータ503も同様にチョッパ回路を搭載した電圧変換装置であるが、バッテリー501から供給される例えば200Vの直流電圧を、例えば12V程度に降圧することで、パワーウインドーやパワーステアリング、あるいは車載の電気機器などを含む電装系に出力することができる。

インバータ504は、昇圧コンバータ502から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ505に出力する。モータ505は電気自動車の走行系を構成する三相交流モータであり、インバータ504から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しないトランスミッション等を介して電気自動車の車輪に伝達する。

一方、図示しない各種センサを用いて、走行中の電気自動車から車輪の回転数やトルク、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル量）などの実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部506に入力される。また同時に、インバータ504の出力電圧値も駆動制御部506に入力される。駆動制御部506はＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部やメモリなどのデータ保存部を備えたコントローラの機能を有するもので、入力された計測信号を用いて制御信号を生成してインバータ504にフィードバック信号として出力することで、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ504がモータ505に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、電気自動車の運転制御を正確に実行させることができ、電気自動車の安全・快適な動作が実現する。なお、駆動制御部506からのフィードバック信号を昇圧コンバータ502に与えることで、インバータ504への出力電圧を制御することも可能である。

図６は、図５における降圧コンバータ503を除いた回路構成、すなわちモータ505を駆動するための構成のみを示した回路構成である。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとして昇圧コンバータ502およびインバータ504に採用されることでスイッチング制御に供される。昇圧コンバータ502においてはチョッパ回路に組み込まれてチョッパ制御を行い、またインバータ504においてはIGBTを含むスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、バッテリー501の出力にインダクタ（コイルなど）を介在させることで電流の安定化を図り、またバッテリー501、昇圧コンバータ502、インバータ504のそれぞれの間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図６中に点線で示すように、駆動制御部506内にはCPU（Central Processing Unit）からなる演算部507と不揮発性メモリからなる記憶部508が設けられている。駆動制御部506に入力された信号は演算部507に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部508は、演算部507による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部507に適宜出力する。演算部507や記憶部508は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

図５や図６に示されるように、制御システム500においては、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これらの半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が大幅に向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム500の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、昇圧コンバータ502、降圧コンバータ503、インバータ504のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは任意の二つ以上の組合せ、あるいは駆動制御部506も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。

なお、上述の制御システム500は本発明の実施形態に係る半導体装置を電気自動車の制御システムに適用できるだけではなく、直流電源からの電力を昇圧・降圧したり、直流から交流へ電力変換するといったあらゆる用途の制御システムに適用することが可能である。また、バッテリーとして太陽電池などの電源を用いることも可能である。

図７は、本発明の実施形態に係る半導体装置を採用した制御システムの他の例を示すブロック構成図、図８は同制御システムの回路図であり、交流電源からの電力で動作するインフラ機器や家電機器等への搭載に適した制御システムである。

図７に示すように、制御システム600は、外部の例えば三相交流電源（電源）601から供給される電力を入力するもので、AC/DCコンバータ602、インバータ604、モータ（駆動対象）605、駆動制御部606を有し、これらは様々な機器（後述する）に搭載することができる。三相交流電源601は、例えば電力会社の発電施設（火力発電所、水力発電所、地熱発電所、原子力発電所など）であり、その出力は変電所を介して降圧されながら交流電圧として供給される。また、例えば自家発電機等の形態でビル内や近隣施設内に設置されて電力ケーブルで供給される。AC/DCコンバータ602は交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換装置であり、三相交流電源601から供給される100Vや200Vの交流電圧を所定の直流電圧に変換する。具体的には、電圧変換により3.3Vや5V、あるいは12Vといった、一般的に用いられる所望の直流電圧に変換される。駆動対象がモータである場合には12Vへの変換が行われる。なお、三相交流電源に代えて単相交流電源を採用することも可能であり、その場合にはAC/DCコンバータを単相入力のものとすれば同様のシステム構成とすることができる。

インバータ604は、AC/DCコンバータ602から供給される直流電圧をスイッチング動作により三相の交流電圧に変換してモータ605に出力する。モータ604は、制御対象によりその形態が異なるが、制御対象が電車の場合には車輪を、工場設備の場合にはポンプや各種動力源を、家電機器の場合にはコンプレッサなどを駆動するための三相交流モータであり、インバータ604から出力される三相の交流電圧によって回転駆動され、その回転駆動力を図示しない駆動対象に伝達する。

なお、例えば家電機器においてはAC/DCコンバータ602から出力される直流電圧をそのまま供給することが可能な駆動対象も多く（例えばパソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など）、その場合には制御システム600にインバータ604は不要となり、図７中に示すように、AC/DCコンバータ602から駆動対象に直流電圧を供給する。この場合、例えばパソコンなどには3.3Vの直流電圧が、LED照明機器などには5Vの直流電圧が供給される。

一方、図示しない各種センサを用いて、駆動対象の回転数やトルク、あるいは駆動対象の周辺環境の温度や流量などといった実測値が計測され、これらの計測信号が駆動制御部606に入力される。また同時に、インバータ604の出力電圧値も駆動制御部606に入力される。これらの計測信号をもとに、駆動制御部606はインバータ604にフィードバック信号を与え、スイッチング素子によるスイッチング動作を制御する。これによって、インバータ604がモータ605に与える交流電圧が瞬時に補正されることで、駆動対象の運転制御を正確に実行させることができ、駆動対象の安定した動作が実現する。また、上述のように、駆動対象が直流電圧で駆動可能な場合には、インバータへのフィードバックに代えてAC/DCコンバータ602をフィードバック制御することも可能である。

図８は、図７の回路構成を示したものである。同図に示されるように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、例えばショットキーバリアダイオードとしてAC/DCコンバータ602およびインバータ604に採用されることでスイッチング制御に供される。AC/DCコンバータ602は、例えばショットキーバリアダイオードをブリッジ状に回路構成したものが用いられ、入力電圧の負電圧分を正電圧に変換整流することで直流変換を行う。またインバータ604においてはIGBTにおけるスイッチング回路に組み込まれてスイッチング制御を行う。なお、AC/DCコンバータ602とインバータ604の間にキャパシタ（電解コンデンサなど）を介在させることで電圧の安定化を図っている。

また、図８中に点線で示すように、駆動制御部606内にはCPUからなる演算部607と不揮発性メモリからなる記憶部608が設けられている。駆動制御部606に入力された信号は演算部607に与えられ、プログラムされた演算を必要に応じて行うことで各半導体素子に対するフィードバック信号を生成する。また記憶部608は、演算部607による演算結果を一時的に保持したり、駆動制御に必要な物理定数や関数などをテーブルの形で蓄積して演算部607に適宜出力する。演算部607や記憶部608は公知の構成を採用することができ、その処理能力等も任意に選定できる。

このような制御システム600においても、図５や図６に示した制御システム500と同様に、AC/DCコンバータ602やインバータ604の整流動作やスイッチング動作にはダイオードやスイッチング素子であるサイリスタ、パワートランジスタ、IGBT、MOSFET等が用いられる。これら半導体素子に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α－Ｇａ_２Ｏ_３）をその材料として用いることでスイッチング特性が向上する。さらに、本発明の実施形態に係る半導体装置を適用することで、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、制御システム600の一層の小型化やコスト低減が実現可能となる。すなわち、AC/DCコンバータ602、インバータ604のそれぞれが本発明による効果を期待できるものとなり、これらのいずれか一つ、もしくは組合せ、あるいは駆動制御部606も含めた形態のいずれにおいても本発明の効果を期待することができる。

なお、図７および図８では駆動対象としてモータ605を例示したが、駆動対象は必ずしも機械的に動作するものに限られず、交流電圧を必要とする多くの機器を対象とすることができる。制御システム600においては、交流電源から電力を入力して駆動対象を駆動する限りにおいては適用が可能であり、インフラ機器（例えばビルや工場等の電力設備、通信設備、交通管制機器、上下水処理設備、システム機器、省力機器、電車など）や家電機器（例えば、冷蔵庫、洗濯機、パソコン、LED照明機器、映像機器、音響機器など）といった機器を対象とした駆動制御のために搭載することができる。

1 回路基板（第１の基板）
2, 3 半導体素子
4 第１の金属基板
5 第２の金属基板
6, 7, 9, 10, 17, 18, 22 ビア
8 第３の金属基板（第２の基板）
11 スルーホール
12a, 12b, 12c 隙間
13 外周基板（第３の基板）
14 熱伝導部材（熱伝導部）
15 外周基板（第４の基板）
16 外周基板
19 樹脂層
20a, 20b, 20c, 20d 熱伝導部材（熱伝導部）
21 遮蔽層
23 第４の金属板
24 熱伝導部材（熱伝導部）
110, 120 半導体装置
500 制御システム
501 バッテリー（電源）
502 昇圧コンバータ
503 降圧コンバータ
504 インバータ
505 モータ（駆動対象）
506 駆動制御部
507 演算部
508 記憶部
600 制御システム
601 三相交流電源（電源）
602 AC/DCコンバータ
604 インバータ
605 モータ（駆動対象）
606 駆動制御部
607 演算部
608 記憶部

Claims

第１の基板と第２の基板との間に少なくとも１つの半導体素子が配置されている積層体を含む半導体装置であって、
前記半導体素子の近傍で且つ前記半導体素子と略同じ積層方向高さの位置に、前記第１の基板および前記第２の基板とは異なる第３の基板に熱的に接続されている熱伝導部が設けられており、前記熱伝導部が、前記半導体素子とは電気的に絶縁されており、前記熱伝導部が前記半導体素子の周囲に配置されていることを特徴とする半導体装置。
前記熱伝導部は前記半導体素子の周囲に連続的に配置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。
前記熱伝導部は前記半導体素子の周囲に断続的に配置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。
前記熱伝導部は前記半導体素子の側面に沿って配置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。
前記熱伝導部の側面は前記半導体素子の側面とほぼ等距離に配置されていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
前記熱伝導部は側面で受熱した熱を当該側面と直交する面の方向に放熱することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記熱伝導部は熱的に等方性を持つ材料で形成されていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
前記熱伝導部は銅（Ｃｕ）を主成分とする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。
前記半導体素子として、第１の半導体素子および第２の半導体素子が、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置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。
前記熱伝導部が、前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子の周囲を囲むように配置されていることを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
前記第３の基板が、前記第１の基板および前記第２の基板と電気的に絶縁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。
前記半導体素子が、半導体層と、前記半導体層の第１の面に設けられている第１の電極と、前記半導体層の第１の面とは反対側の第２の面に設けられている第２の電極とを備え、前記第２の電極と前記第２の基板とがビアを介して電気的に接続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。
前記熱伝導部と前記半導体素子の間には電気絶縁性材料が介在していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記熱伝導部の熱は前記積層方向へ伝熱されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
請求項１記載の半導体装置を用いた電力変換装置。
請求項１記載の半導体装置を用いた制御システム。
第１の基板と第２の基板との間に少なくとも１つの半導体素子が配置されている積層体を含む半導体装置であって、
前記半導体素子の近傍で且つ略同じ積層方向高さの位置に、前記第１の基板および前記第２の基板とは異なる第３の基板に熱的に接続されている熱伝導部が設けられており、前記熱伝導部が、前記半導体素子とは電気的に絶縁されており、前記熱伝導部が前記半導体素子の周囲に配置され、前記熱伝導部が前記第３の基板に積層され、
前記第３の基板は、積層方向において熱伝導部と反対側に位置する第４の基板と熱的に接続されていることを特徴とする半導体装置。