WO2020105556A1 - 半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造方法

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WO2020105556A1
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semiconductor device
semiconductor element
frame
dissipation member
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藤野　純司
翔平 小川
智香 松井
宮本　昇
功 大島
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Mitsubishi Electric Corp
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, a power conversion device, and a semiconductor device manufacturing method.
  • Power modules with multiple semiconductor elements are mounted on products such as industrial equipment, home appliances, and information terminals, and are used for power generation, power transmission, efficient energy use and regeneration, etc.
  • power modules are required to have high heat dissipation in order to meet the needs for higher voltage and larger current. For this reason, in many cases, power modules, especially power modules for transportation equipment, adopt a double-sided cooling structure that can positively dissipate heat not only from the back surface of the semiconductor element but also from the active surface of the semiconductor element. To be done.
  • a power module that employs a double-sided cooling structure includes a semiconductor element, two heat dissipation members, and a sealing resin portion.
  • the two heat radiation members sandwich the semiconductor element.
  • the sealing resin portion is molded by transfer molding, and seals the semiconductor element and the two heat radiation members.
  • the two heat radiation surfaces of the two heat radiation members face in directions opposite to each other and are exposed without being covered by the sealing resin portion.
  • the sealing resin portion is formed by filling a liquid sealing material made of a sealing resin and curing the filled liquid sealing material.
  • the semiconductor device described in Patent Document 1 includes a semiconductor chip, a lower heat sink, a heat sink block, an upper heat sink, and a resin (paragraphs 0013 and 0019).
  • the lower surface of the semiconductor chip and the upper surface of the lower heat sink are joined by solder (paragraph 0014).
  • the upper surface of the semiconductor chip and the lower surface of the heat sink block are joined by solder (paragraph 0014).
  • the upper surface of the heat sink block and the lower surface of the upper heat sink are joined by solder (paragraph 0014).
  • heat is radiated from both sides of the semiconductor chip via the lower heat sink and the upper heat sink (paragraph 0014).
  • the resin fills and seals the gap between the pair of lower heat sinks and the upper heat sinks, and the peripheral portions of the semiconductor chip and the heat sink block (paragraph 0019).
  • the lower surface of the lower heat sink and the upper surface of the upper heat sink are exposed (paragraph 0026).
  • a structure for positioning the heat dissipation member may be adopted.
  • the power module described in Patent Document 2 includes a first cooler, a housing, a circuit unit, a heat dissipation material, a second cooler and a sealing resin body (paragraphs 0025, 0026 and 0031).
  • the circuit unit includes an insulating substrate and a semiconductor element (paragraph 0025).
  • the insulating substrate is glued onto the first cooler (paragraph 0025).
  • the semiconductor element is mounted on the insulating substrate (paragraph 0025).
  • the heat dissipation material is soldered to the circuit unit (paragraph 0025).
  • the second cooler is in contact with the heat dissipation material (paragraph 0026).
  • a sealing resin body is formed in the accommodation space in which the circuit unit is accommodated (paragraphs 0025 and 0031).
  • the second cooler is fitted into concave grooves formed in the grid-shaped partition wall (paragraph 0029). Thus, a gap for filling the resin is formed between the accommodation space and the second cooler (paragraph 0030).
  • power modules installed in home appliances are required to be small and lightweight and have high reliability, and it is also required to have high productivity capable of supporting multi-product production.
  • the power module is also required to have a package form that can be applied to SiC semiconductors that have high operating temperature and high efficiency and are likely to become mainstream in the future.
  • the polishing process requires special equipment and a long processing time, which causes a decrease in the productivity of the power module. Further, the polishing step causes a decrease in reliability of the power module such as insulation failure unless the metal powder generated in the polishing step is completely removed by washing, cleaning, or the like.
  • a structure for positioning the heat dissipation member is adopted in a power module that employs a double-sided cooling structure, that structure may cause leakage of the liquid sealing material.
  • the liquid sealing material may leak out through the gap formed between the second cooler and the groove. The problem is that the liquid sealing material is heated to about 60 ° C. to secure the fluidity of the liquid sealing material and the viscosity of the liquid sealing material is reduced from 2 to 6 Pa ⁇ S. This becomes particularly noticeable when it becomes possible to enter a small gap.
  • the present invention has been made in view of these problems.
  • the problem to be solved by the present invention is to eliminate the polishing step of removing the resin attached to the two heat radiating surfaces and exposing the two heat radiating surfaces, thereby improving the productivity and reliability of the semiconductor device. .. Further, another problem to be solved by the present invention is to suppress leakage of the liquid sealing material.
  • the present invention is directed to semiconductor devices.
  • the semiconductor device includes a first heat dissipation member, a frame member, a second heat dissipation member, a semiconductor element, and a sealing resin portion.
  • the first heat dissipation member is embedded in the frame member.
  • the frame member includes a frame-shaped portion and a positioning portion.
  • the positioning portion is inside the frame-shaped portion.
  • the second heat radiation member hits the positioning portion and is positioned by the positioning portion.
  • the first heat dissipation surface of the first heat dissipation member and the second heat dissipation surface of the second heat dissipation member face in directions opposite to each other and are exposed to the outside.
  • the semiconductor element is sandwiched between the first heat dissipation member and the second heat dissipation member.
  • the sealing resin part fills the gap between the frame member and the second heat dissipation member to seal the semiconductor element.
  • the present invention is also directed to a power conversion device including the semiconductor device.
  • the present invention is also directed to a method of manufacturing a semiconductor device.
  • the first heat radiation member having the first heat radiation surface is embedded, and the frame member including the frame-shaped portion and the positioning portion inside the frame-shaped portion is formed by insert molding. Molded.
  • the first heat radiating surface of the first heat radiating member and the second heat radiating surface of the second heat radiating member face in mutually opposite directions, the second heat radiating member contacts the positioning portion, and the second heat radiating member
  • the semiconductor element is sandwiched between the first heat dissipation member and the second heat dissipation member so that the semiconductor element is positioned by the positioning unit.
  • the first heat dissipation member is embedded in the frame member, and the sealing resin portion fills the gap between the frame member and the second heat dissipation member. Therefore, it is possible to prevent the resin from adhering to the first heat dissipation surface of the first heat dissipation member and the second heat dissipation surface of the second heat dissipation member during the manufacturing of the semiconductor device. This removes the resin adhering to the first heat dissipation surface of the first heat dissipation member and the second heat dissipation surface of the second heat dissipation member to remove the first heat dissipation surface and the second heat dissipation member of the first heat dissipation member.
  • the polishing step for exposing the second heat radiation surface is unnecessary, and the productivity and reliability of the semiconductor device can be improved.
  • the positioning portion for positioning the heat dissipation member is inside the frame-shaped portion. Therefore, the positioning portion does not cause the liquid sealing material to leak, and the liquid sealing material can be prevented from leaking.
  • FIG. 3 is a top view schematically illustrating the power module according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing the power module of the first embodiment with the upper surface heat spreader, the first upper surface solder layer, the second upper surface solder layer, the third upper surface solder layer and the sealing resin portion removed.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view schematically showing the power module of the first embodiment with the sealing resin portion removed.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the cross section of the power module of the first embodiment at the position of the cutting line AA drawn in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the power module according to the first embodiment at a position of a cutting line BB drawn in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a flow of manufacturing the power module according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an intermediate product obtained during the manufacture of the power module according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an intermediate product obtained during the manufacture of the power module according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an intermediate product obtained during the manufacture of the power module according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an intermediate product obtained during the manufacture of the power module according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the power module of the first another example of the first embodiment at the position of the cutting line AA drawn in FIG. 1.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the power module of the second alternative example of the first embodiment at the position of the cutting line AA drawn in FIG. 1.
  • FIG. 11 is an exploded top view schematically illustrating the power module of the second embodiment with the first upper surface solder layer, the second upper surface solder layer, the third upper surface solder layer, and the sealing resin portion removed.
  • FIG. 14 is a cross sectional view schematically showing a cross section of the power module of the second embodiment at a position of a cutting line CC drawn in FIG. 13.
  • 9 is a flowchart showing a flow of manufacturing the power module according to the second embodiment.
  • FIG. 17 is a cross sectional view schematically showing a cross section of a power module of another example of the second embodiment at a section line DD in FIG. 16.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing a power module of another example of the second embodiment at a position of a cutting line EE drawn in FIG. 16. It is a top view which illustrates the power module of Embodiment 3 typically.
  • FIG. 17 is a cross sectional view schematically showing a cross section of a power module of another example of the second embodiment at a section line DD in FIG. 16.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing a power module of another example of the second embodiment at a position of a cutting line EE drawn in FIG. 16.
  • FIG. 3 illustrates the power module of Embodiment 3 typically.
  • FIG. 20 is a cross sectional view schematically showing a cross section of the power module of the third embodiment at a position of a cutting line FF drawn in FIG. 19. It is a top view which illustrates the power module of Embodiment 4 typically.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of a power module of a first another example of the fourth embodiment at a section line GG drawn in FIG. 21.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of a power module of a first alternative example of the fourth embodiment at a cutting line HH drawn in FIG. 21.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the power module of the first alternative example of the fourth embodiment at the position of the cutting line II drawn in FIG. 21. It is sectional drawing which illustrates the power module of Embodiment 5 typically. It is sectional drawing which illustrates typically the state which the power module of Embodiment 5 was inserted in the heat dissipation member for cooling.
  • FIG. 16 is a block diagram illustrating a power conversion device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 1 is a top view schematically showing the power module of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic view of the power module of Embodiment 1 from which an upper surface heat spreader, a first upper surface solder layer, a second upper surface solder layer, a third upper surface solder layer, and a sealing resin portion described below are removed. It is a top view illustrated in FIG.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view schematically showing the power module of the first embodiment from which a sealing resin portion described below is removed.
  • 4 and 5 are sectional views schematically showing the power module according to the first embodiment. 4 and 5 illustrate cross-sections at the locations of cut lines AA and BB depicted in FIG. 1, respectively.
  • the power module 1000 of the first embodiment includes an insert mold frame 1020, a first semiconductor element 1021, a second semiconductor element 1022, a first lower surface solder layer 1023, The second lower surface solder layer 1024, the upper surface heat spreader 1025, the first upper surface solder layer 1026, the second upper surface solder layer 1027, the third upper surface solder layer 1028, the bonding wire 1029, and the sealing resin portion 1030 are provided.
  • the power module 1000 may include elements other than these elements.
  • the insert mold frame 1020 includes a lower surface heat spreader 1040, a signal terminal 1041, a first external terminal 1042, a second external terminal 1043, and a frame member 1044. Equipped with.
  • the insert mold frame 1020 may include elements other than these elements.
  • the lower surface heat spreader 1040, the signal terminal 1041, the first external terminal 1042, and the second external terminal 1043 are embedded in the frame member 1044.
  • the insert mold frame 1020 injects the resin before curing into the gap between the molds that sandwich the lower surface heat spreader 1040, the signal terminal 1041, the first external terminal 1042 and the second external terminal 1043, and cures the injected resin. It is molded by curing the pre-fluid. Therefore, even when the signal terminal 1041, the first external terminal 1042, and the second external terminal 1043 penetrate the frame member 1044, there is a gap in which the liquid sealing material that is the precursor of the sealing resin portion 1030 leaks. It is possible to suppress the formation between the terminal 1041, the first external terminal 1042 and the second external terminal 1043 and the frame member 1044.
  • the pressure for injecting the pre-curing fluid of the resin when the insert mold frame 1020 is molded is lower than that when the transfer mold frame is molded. Therefore, when the insert mold frame 1020 is molded, it is unlikely that a thin film made of a cured product of resin is formed on the surface of the lower surface heat spreader 1040 or the like. Further, even when the film is formed, it is easy to remove the film.
  • the first semiconductor element 1021 includes a back electrode 1060, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the second semiconductor element 1022 includes a back surface electrode 1080 as illustrated in FIGS. 4 and 5.
  • the back surface electrode 1060 of the first semiconductor element 1021 and the back surface electrode 1080 of the second semiconductor element 1022 have a first lower surface solder layer 1023 and a second lower surface solder layer, respectively. Solder-bonded to the upper surface 1100 of the lower surface heat spreader 1040 via 1024. As a result, the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are die-bonded to the lower surface heat spreader 1040, mechanically and thermally coupled to the lower surface heat spreader 1040, and electrically connected to the lower surface heat spreader 1040.
  • the first semiconductor element 1021 further includes a surface electrode 1061 as illustrated in FIGS. 2 to 5.
  • the second semiconductor element 1022 further includes a surface electrode 1081 as illustrated in FIGS. 2 to 5.
  • the surface electrode 1061 of the first semiconductor element 1021 and the surface electrode 1081 of the second semiconductor element 1022 have a first upper surface solder layer 1026 and a second upper surface solder layer 1026, respectively. It is soldered to the lower surface 1120 of the upper heat spreader 1025 via 1027. As a result, the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are die-bonded to the upper surface heat spreader 1025, mechanically and thermally coupled to the upper surface heat spreader 1025, and electrically connected to the upper surface heat spreader 1025.
  • the first semiconductor element 1021 further includes a signal electrode 1062 as illustrated in FIGS. 2 to 5.
  • the signal electrode 1062 is electrically connected to the signal terminal 1041 via the bonding wire 1029.
  • the first external terminal 1042 is bonded to the upper surface 1100 of the lower surface heat spreader 1040, as shown in FIG. As a result, the first external terminal 1042 is electrically connected to the lower surface heat spreader 1040. Further, the first external terminal 1042 is electrically connected to the back surface electrode 1060 of the first semiconductor element 1021 and the back surface electrode 1080 of the second semiconductor element 1022 via the bottom surface heat spreader 1040.
  • the second external terminal 1043 is soldered to the lower surface 1120 of the upper heat spreader 1025 via the third upper surface solder layer 1028 as shown in FIG. As a result, the second external terminal 1043 is electrically connected to the upper surface heat spreader 1025. Further, the second external terminal 1043 is electrically connected to the surface electrode 1061 of the first semiconductor element 1021 and the surface electrode 1081 of the second semiconductor element 1022 via the upper surface heat spreader 1025.
  • solder joint that uses solder as the joint medium may be replaced with other kinds of joints.
  • solder bonding may be replaced with bonding using a cured product of a conductive adhesive, an Ag sintered material, a Cu sintered material or the like as a bonding medium.
  • the conductive adhesive includes, for example, epoxy resin and Ag filler.
  • the Ag filler is dispersed in the epoxy resin.
  • the Ag sintered material and the Cu sintered material are obtained by firing Ag nanoparticles and Cu nanoparticles at a low temperature, respectively.
  • the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are sandwiched between the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025.
  • the heat generated by the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 passes through the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025, and is radiated from the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025.
  • the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 faces the first direction D1
  • the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 faces the second direction D2 opposite to the first direction D1.
  • the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 serve as heat dissipation surfaces
  • the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025 serve as a first heat dissipation member and a second heat dissipation member that form a double-sided cooling structure, respectively. ..
  • the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 are exposed to the outside without being covered with resin. Accordingly, the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 can be brought into close contact with the cooler, and heat can be efficiently released from the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025.
  • the encapsulation resin portion 1030 is made of a cured product of the encapsulation resin, and fills the gap 1140 between the insert mold frame 1020 and the upper surface heat spreader 1025, as shown in FIGS. 4 and 5. To do.
  • the main part of the gap 1140 is composed of a gap between the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025, and a gap between the frame member 1044 and the upper surface heat spreader 1025.
  • the frame member 1044 includes a frame-shaped portion 1160 and a stepped portion 1161 as illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the frame-shaped portion 1160 has a frame-like shape.
  • the step portion 1161 is inside the frame-shaped portion 1160.
  • the step surface 1180 of the step portion 1161 has a step between the step portion 1180 and the end portion 1200 of the frame-shaped portion 1160 closest to the second direction D2.
  • the upper surface heat spreader 1025 hits the step surface 1180 of the step portion 1161 and is positioned by the step surface 1180 of the step portion 1161. Accordingly, the step surface 1180 of the step portion 1161 serves as a positioning portion that positions the upper surface heat spreader 1025, the upper surface heat spreader 1025 is positioned at a desired position, and the accuracy of the thickness of the power module 1000 can be improved.
  • the desired position is a position where the upper surface 1121 of the upper heat spreader 1025 slightly protrudes from the frame member 1044 in the second direction D2, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the liquid sealing material which is the precursor of the sealing resin portion 1030, from covering the upper surface 1121 of the upper heat spreader 1025 and prevent the resin from adhering to the upper surface 1121 of the upper heat spreader 1025.
  • the position where the upper surface heat spreader 1025 is positioned is determined by the height from the bottom surface of the insert mold frame 1020 to the step surface 1180 of the step portion 1161. The height depends on where the step portion 1161 is arranged in the frame-shaped portion 1160.
  • the step surface 1180 of the step portion 1161 includes a plurality of portions 1171, 1172, 1173 and 1174 which are separated from each other. The plurality of portions 1171, 1172, 1173, and 1174 form the same plane and contact the lower surface 1120 of the upper surface heat spreader 1025 facing the first direction D1.
  • the upper surface heat spreader 1025 is positioned on the same plane formed by the plurality of portions 1171, 1172, 1173 and 1174 of the step surface 1180 of the step portion 1161. Further, the thicknesses of the first upper surface solder layer 1026, the second upper surface solder layer 1027, and the third upper surface solder layer 1028 can be maintained at desired thicknesses, and the first upper surface solder layer 1026 and the second upper surface solder layer 1026 can be maintained. It is possible to prevent the upper surface solder layer 1027 and the third upper surface solder layer 1028 from being excessively crushed.
  • the step portion 1161 preferably has a semi-cylindrical shape extending in the second direction D2. This facilitates processing when manufacturing a mold used for insert molding of the insert mold frame 1020, and when injecting the liquid sealing material that is the precursor of the sealing resin portion 1030 into the box internal space 1220. It is possible to suppress the step portion 1161 from obstructing the flow of the liquid sealing material.
  • the side wall is mainly composed of the frame-shaped portion 1160.
  • a bottom is formed mainly by the lower surface heat spreader 1040 to form an open box shape.
  • the encapsulating resin portion 1030 fits in the box internal space 1220 defined by the lidless box-like shape and does not protrude from the box internal space 1220. Accordingly, it is possible to further suppress the liquid sealing material that is the precursor of the sealing resin portion 1030 from covering the upper surface 1121 of the upper heat spreader 1025, and further suppress the resin from adhering to the upper surface 1121 of the upper heat spreader 1025. can do.
  • the upper surface heat spreader 1025 has a planar shape smaller than the planar shape of the inlet opening of the box internal space 1220, as shown in FIGS. 1 to 5. Further, the upper surface heat spreader 1025 has a shape capable of being accommodated in the frame-shaped portion 1160 without being placed on the frame-shaped portion 1160. As a result, a gap 1260 illustrated in FIGS. 1, 2 and 5 is formed between the upper surface heat spreader 1025 and the frame-shaped portion 1160, and a liquid that is a precursor of the sealing resin portion 1030 is formed through the formed gap 1260. The sealing material can be easily injected into the gap 1140 between the insert mold frame 1020 and the upper surface heat spreader 1025.
  • the end surface 1122 of the upper heat spreader 1025 extends from the edge of the upper surface 1121 of the upper heat spreader 1025 to the edge of the lower surface 1120 of the upper heat spreader 1025.
  • the entire end surface 1122 of the upper surface heat spreader 1025 is separated from the frame-shaped portion 1160.
  • a space is formed between the entire end surface 1122 of the upper surface heat spreader 1025 and the frame-shaped portion 1160.
  • a nozzle that discharges the liquid sealing material when the liquid sealing material is injected into the gap 1140 between the insert mold frame 1020 and the upper surface heat spreader 1025 is inserted into the space. According to the space, it is easy to exchange the gas in the box space 1220.
  • the sealing resin is direct potting resin.
  • the direct potting resin contains an epoxy resin and a filler such as silica filler.
  • the filler is dispersed in the epoxy resin.
  • Direct potting resin can be poured into the gap 1140 between the insert mold frame 1020 and the upper surface heat spreader 1025 and replaced with another type of liquid encapsulant that can be cured at room temperature or by heating or ultraviolet (UV) irradiation. May be For example, the direct potting resin may be replaced with a liquid gel.
  • the lower heat spreader 1040 and the upper heat spreader 1025 are made of Cu.
  • Cu may be replaced by other types of metals or alloys that have high heat dissipation, high conductivity and high solder wettability.
  • Cu may be replaced with Ni or an alloy containing Ni as a main component.
  • the lower heat spreader 1040 and the upper heat spreader 1025 made of one kind of metal may be replaced with a heat spreader made of two or more kinds of metals or alloys.
  • the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025 are replaced with a heat spreader including a base material made of a metal or alloy having high heat dissipation and high conductivity, and an outermost surface layer made of a metal or alloy having high solder wettability. Good.
  • the base material is preferably made of Cu, Al or Ni, or an alloy containing Cu, Al or Ni as a main component.
  • the base material does not need to be made of a metal or alloy having a high solder wettability, and may be made of a metal or an alloy having no high solder wettability such as Al.
  • the outermost surface layer is preferably made of Cu, Ni, Au or Ag, or an alloy containing Cu, Ni, Au or Ag as a main component.
  • the frame member 1044 is made of a cured product of polyphenylene sulfide (PPS) resin.
  • PPS resin may be replaced with other types of resins.
  • the PPS resin may be replaced with a liquid crystal polymer (LCP) resin.
  • Back electrode 1060 and front electrode 1061 of first semiconductor element 1021, and back electrode 1080 and front electrode 1081 of second semiconductor element 1022 are solder and Ag sintered. It is made of a material that can be joined to a joining destination using a joining medium such as a material, and is preferably made of Cu, Au, Ag or Pt, or an alloy containing Cu, Au, Ag or Pt as a main component.
  • the bonding wire 1029 is an Al wire.
  • the Al wire may be replaced with other types of conductor wires.
  • the Al wire may be replaced with a Cu wire, an Al-coated Cu wire, an Au wire, or the like.
  • the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are power semiconductor elements.
  • the back surface electrode 1060 and the front surface electrode 1061 of the first semiconductor element 1021 are the first main electrode and the second main electrode of the first semiconductor element 1021, respectively.
  • the signal electrode 1062 of the first semiconductor element 1021 is an electrode for controlling the conduction state between the back surface electrode 1060 of the first semiconductor element 1021 and the front surface electrode 1061 of the first semiconductor element 1021.
  • a signal for controlling a conduction state between the back surface electrode 1060 of the first semiconductor element 1021 and the front surface electrode 1061 of the first semiconductor element 1021 is input to the signal electrode 1062 of the first semiconductor element 1021. ..
  • the first semiconductor element 1021 is an insulated gate bipolar transistor (IGBT) which is, for example, a Si semiconductor.
  • the second semiconductor element 1022 is, for example, a diode.
  • the back surface electrode 1060, the front surface electrode 1061, and the signal electrode 1062 of the first semiconductor element 1021 are the collector, emitter, and emitter of the IGBT, respectively. It is a gate.
  • the back surface electrode 1080 and the front surface electrode 1081 of the second semiconductor element 1022 are the cathode and anode of the diode, respectively.
  • the power module 1000 can configure one arm of the inverter, and has a 1-in-1 module configuration in which only one pair of the switching element formed of the IGBT and the free wheeling diode formed of the diode is incorporated.
  • the collector and the emitter may be interchanged and the anode and the cathode may be interchanged.
  • the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 may be an integrated circuit (IC), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), or the like.
  • the lower surface heat spreader 1040 has, for example, an outer dimension of 35 mm ⁇ 22 mm and a thickness of 3 mm.
  • the signal terminal 1041 has a thickness of 0.4 mm, for example.
  • the first external terminal 1042 and the second external terminal 1043 have a thickness of 0.8 mm, for example.
  • the frame member 1044 has, for example, an outer dimension of 48 mm ⁇ 28 mm and a height of 6.2 mm.
  • the IGBT has, for example, an outer dimension of 15 mm ⁇ 15 mm and a thickness of 0.3 mm.
  • the diode When the second semiconductor element 1022 is a diode, the diode has, for example, an outer dimension of 15 mm ⁇ 15 mm and a thickness of 0.3 mm.
  • the upper surface heat spreader 1025 has, for example, an outer dimension of 30 mm ⁇ 20 mm and a thickness of 3 mm.
  • the step surface 1180 of the step portion 1161 has, for example, a height of 3.6 mm from the bottom surface.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the flow of manufacturing the power module of the first embodiment.
  • 7 to 10 are sectional views schematically showing an intermediate product obtained in the process of manufacturing the power module according to the first embodiment.
  • steps S101 to S105 shown in FIG. 6 are sequentially executed.
  • step S101 the insert mold frame 1020 shown in FIG. 7 is formed by insert molding.
  • the first external terminal 1042 not shown in FIG. 7 is already bonded to the lower surface heat spreader 1040 at this stage.
  • step S102 as shown in FIG. 7, the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 sandwich the first lower surface solder sheet 1300 and the second lower surface solder sheet 1301, respectively, and on the lower surface heat spreader 1040.
  • the intermediate product placed in is prepared. Further, the intermediate product is heated by the reflow furnace. As a result, the first lower surface solder sheet 1300 and the second lower surface solder sheet 1301 change to the first lower surface solder layer 1023 and the second lower surface solder layer 1024, respectively, and the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1021.
  • the semiconductor element 1022 is soldered to the lower surface heat spreader 1040.
  • step S103 as shown in FIG. 8, one end of the bonding wire 1029 is bonded to the signal electrode 1062 of the first semiconductor element 1021, and the other end of the bonding wire 1029 is bonded to the signal terminal 1041.
  • the signal electrode 1062 of the first semiconductor element 1021 is electrically connected to the signal terminal 1041 via the bonding wire 1029.
  • step S104 an intermediate product in which the upper surface heat spreader 1025 is placed on the step surface 1180 of the step portion 1161 is prepared.
  • the upper surface heat spreader 1025 sandwiches the first upper surface solder sheet 1303, the second upper surface solder sheet 1304, and the third upper surface solder sheet 1305, respectively, and sandwiches the first semiconductor.
  • the element 1021, the second semiconductor element 1022, and the second external terminal 1043 are provided.
  • the intermediate product is heated by the reflow furnace.
  • the first upper surface solder sheet 1303, the second upper surface solder sheet 1304, and the third upper surface solder sheet 1305 become the first upper surface solder layer 1026, the second upper surface solder layer 1027, and the third upper surface solder, respectively.
  • a layer 1028 is formed, and the first semiconductor element 1021, the second semiconductor element 1022, and the second external terminal 1043 are soldered to the upper surface heat spreader 1025.
  • the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025 include the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element so that the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 face in mutually opposite directions. 1022 is sandwiched, and the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025 are opposed to each other with the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 sandwiched therebetween.
  • step S105 as shown in FIG. 10, the direct potting resin 1320 is poured into the gap 1140 while being heated to 60 ° C., and the degassing and heating of the poured direct potting resin 1320 are performed. Be seen. The heating is performed according to a heating profile of maintaining 100 ° C. for 1.5 hours and then 140 ° C. for 1.5 hours. As a result, the poured direct potting resin 1320 cures and changes into the sealing resin portion 1030, and the power module 1000 illustrated in FIGS. 1 to 5 is completed.
  • the completed power module 1000 has a total thickness of 6.6 mm that is thicker than the height of the frame member 1044 of 5.2 mm by placing the upper surface heat spreader 1025 on the step surface 1180 of the step portion 1161 in step S104.
  • the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 projects from the frame member 1044, and the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 can be reliably brought into contact with the cooler.
  • the lower surface heat spreader 1040 is embedded in the frame member 1044, and the sealing resin portion 1030 fills the gap between the frame member 1044 and the upper surface heat spreader 1025. Therefore, it is possible to prevent the resin from adhering to the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 during the manufacturing of the power module 1000.
  • the polishing process of removing the resin adhering to the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 to expose the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 becomes unnecessary.
  • Productivity and reliability can be improved.
  • the step surface 1180 of the step portion 1161 for positioning the upper surface heat spreader 1025 is inside the frame-shaped portion 1160. Therefore, the step surface 1180 of the step portion 1161 does not cause leakage of the liquid sealing material that is the precursor of the sealing resin portion 1030, and the leakage of the liquid sealing material can be suppressed.
  • the power module 1000 is a semiconductor device in which a total of two semiconductor elements including one first semiconductor element 1021 and one second semiconductor element 1022 are mounted.
  • the above-described technique may be adopted in a discrete component that is a semiconductor device in which a total of one semiconductor element is mounted, or in a power module that is a semiconductor device in which a total of three or more semiconductor elements are mounted.
  • the power module has a module configuration in which two or more pairs of a switching element including an IGBT and a pair of freewheeling diodes including a diode are incorporated. You may have.
  • the power module may have a 2-in-1 module configuration in which two pairs of the pair are incorporated, or a 6-in-1 module configuration in which six pairs of the pair are incorporated.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of a power module of a first another example of the first embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the cross section of the power module of the second alternative example of the first embodiment. 11 and 12 illustrate cross-sections at the section line AA depicted in FIG.
  • the end surface 1122 of the upper heat spreader 1025 extends from the edge of the upper surface 1121 of the upper heat spreader 1025 to the edge of the lower surface 1120 of the upper heat spreader 1025. ..
  • the area occupied by the lower surface 1120 is smaller than the area occupied by the upper surface 1121.
  • the end surface 1122 is an inclined surface that continuously moves inward as it moves away from the edge of the upper surface 1121 in the first direction D1.
  • the end surface 1122 of the upper heat spreader 1025 extends from the edge of the upper surface 1121 of the upper heat spreader 1025 to the edge of the lower surface 1120 of the upper heat spreader 1025. ..
  • the area occupied by the lower surface 1120 is smaller than the area occupied by the upper surface 1121.
  • the end surface 1122 of the upper surface heat spreader 1025 is a step forming surface that discontinuously moves inward as it moves away from the edge of the upper surface 1121 in the first direction D1.
  • FIG. 13 shows that the power module of the second embodiment includes a first upper surface solder layer, a second upper surface solder layer, and a third upper surface solder layer.
  • FIG. 3 is an exploded top view schematically illustrating the product in which the sealing resin portion is removed.
  • FIG. 14 is a sectional view schematically illustrating the power module according to the second embodiment.
  • FIG. 14 illustrates a cross section at the location of the section line CC taken in FIG.
  • the power module 2000 of the second embodiment shown in FIGS. 13 and 14 differs from the power module 1000 of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 mainly in the following differences.
  • the power module 1000 according to the first embodiment is a semiconductor device in which a total of two semiconductor elements including one first semiconductor element 1021 and one second semiconductor element 1022 are mounted.
  • the power module 2000 according to the second embodiment is a semiconductor device in which a total of four semiconductor elements including the two first semiconductor elements 1021 and the two second semiconductor elements 1022 are mounted. ..
  • the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025 serve as a first heat radiating member and a second heat radiating member that form a double-sided cooling structure, respectively.
  • the lower surface insulated circuit board 2040 and the upper surface insulated circuit board 2025 serve as a first heat radiating member and a second heat radiating member that form a double-sided cooling structure, respectively.
  • the configuration adopted in the power module 2000 of the second embodiment will be described in relation to the above differences.
  • the configuration adopted in the power module 1000 of the first embodiment is also adopted in the power module 2000 of the second embodiment.
  • the lower surface insulated circuit board 2040 includes a base 2400, an insulating layer 2401 and a conductor layer 2402, as shown in FIG.
  • the lower surface insulated circuit board 2040 has a laminated structure in which an insulating layer 2401 and a conductor layer 2402 are laminated on a base 2400.
  • the insulating layer 2401 is between the base 2400 and the conductor layer 2402, and electrically insulates the base 2400 from the conductor layer 2402.
  • the upper surface insulating circuit board 2025 includes a base 2420, an insulating layer 2421, and a conductor layer 2422, as shown in FIG.
  • the upper surface insulating circuit board 2025 has a structure in which an insulating layer 2421 and a conductor layer 2422 are laminated on a base 2420.
  • the insulating layer 2421 is between the base 2420 and the conductor layer 2422, and electrically insulates the base 2420 from the conductor layer 2422.
  • the conductor layer 2422 has a pattern that forms circuit wiring necessary for making the power module 2000 a power module having a 2 in 1 module configuration.
  • Both or one of the lower surface heat spreader 1040 and the upper surface heat spreader 1025 provided in the power module 1000 of the first embodiment is replaced with an insulating circuit board having a laminated structure similar to the laminated structure of the lower surface insulated circuit board 2040 and the upper surface insulated circuit board 2025. May be.
  • the lower surface insulated circuit board 2040 has the same structure as the lower surface heat spreader 1040 provided in the power module 1000 of the first embodiment, as shown in FIG. 13 and FIG.
  • the insert mold frame 1020 is embedded in the frame member 1044 together with the external terminal 1042 and the second external terminal 1043, and together with the signal terminal 1041, the first external terminal 1042, the second external terminal 1043, and the frame member 1044.
  • the backside electrode 1060 of the first semiconductor element 1021 and the backside electrode 1080 of the second semiconductor element 1022 are, respectively, as shown in FIG.
  • the lower surface solder layer 1023 and the second lower surface solder layer 1024 are soldered to the upper surface 2440 of the conductor layer 2402 of the lower surface insulated circuit board 2040.
  • the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are die-bonded to the lower surface insulated circuit board 2040, mechanically and thermally coupled to the lower surface insulated circuit board 2040, and electrically connected to the conductor layer 2402. To be done.
  • the front surface electrode 1061 of the first semiconductor element 1021 and the front surface electrode 1081 of the second semiconductor element 1022 have a first upper surface solder layer 1026 and a second upper surface solder layer 1027, respectively. Then, it is soldered to the lower surface 2460 of the conductor layer 2422 of the upper surface insulated circuit board 2025. As a result, the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are die-bonded to the upper surface insulating circuit board 2025, mechanically and thermally coupled to the upper surface insulating circuit board 2025, and electrically connected to the conductor layer 2422. To be done.
  • the first external terminal 1042 is bonded to the conductor layer 2402 of the lower surface insulated circuit board 2040. As a result, the first external terminal 1042 is electrically connected to the conductor layer 2402. In addition, the first external terminal 1042 is electrically connected to the back surface electrode 1060 of the first semiconductor element 1021 and the back surface electrode 1080 of the second semiconductor element 1022 via the conductor layer 2402 of the lower surface insulated circuit board 2040. It
  • the second external terminal 1043 is soldered to the lower surface 2460 of the conductor layer 2422 of the upper surface insulating circuit board 2025 via the third upper surface solder layer 1028. As a result, the second external terminal 1043 is electrically connected to the conductor layer 2422 of the upper surface insulating circuit board 2025. Further, the second external terminal 1043 is electrically connected to the surface electrode 1061 of the first semiconductor element 1021 and the surface electrode 1081 of the second semiconductor element 1022 via the conductor layer 2422 of the upper surface insulating circuit board 2025. It
  • the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are sandwiched between the lower surface insulated circuit board 2040 and the upper surface insulated circuit board 2025. ..
  • the heat generated by the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 passes through the lower surface insulating circuit board 2040 and the upper surface insulating circuit board 2025, and the lower surface 2480 and the upper surface insulating circuit board of the base 2420 of the lower surface insulating circuit board 2040. 2025 is released from the upper surface 2500 of the base 2400.
  • the lower surface 2480 of the base 2420 faces the first direction D1
  • the upper surface 2500 of the base 2400 faces the second direction D2 opposite to the first direction D1.
  • the lower surface 2480 of the base 2420 and the upper surface 2500 of the base 2400 serve as a heat radiation surface
  • the lower surface insulated circuit board 2040 and the upper surface insulated circuit board 2025 respectively form a first heat dissipation member and a second heat dissipation member that form a double-sided cooling structure.
  • the upper surface insulated circuit board 2025 like the upper surface heat spreader 1025 provided in the power module 1000 according to the first embodiment, hits the step surface 1180 of the step portion 1161 shown in FIG. Positioning is performed by the step surface 1180 of the portion 1161.
  • the base 2400 of the lower surface insulated circuit board 2040 and the base 2420 of the upper surface insulated circuit board 2025 are made of Cu.
  • the Cu may be replaced with another type of metal or alloy having high heat dissipation.
  • the Cu may be replaced with Al.
  • the conductor layer 2402 of the lower surface insulated circuit board 2040 and the conductor layer 2422 of the upper surface insulated circuit board 2025 are made of Cu.
  • the Cu may be replaced by another type of conductor having high heat dissipation, high conductivity and high solder wettability.
  • the Cu may be replaced with Ni or an alloy containing Ni as a main component.
  • the conductor layer 2402 of the lower surface insulated circuit board 2040 made of one kind of conductor and the conductor layer 2422 of the upper surface insulated circuit board 2025 may be replaced with a conductor layer made of two or more kinds of conductors.
  • the conductor layers 2402 and 2422 may be replaced with a base material made of a conductor having high heat dissipation and high conductivity, and a conductor layer made of an outermost surface layer made of a conductor having high solder wettability.
  • the base material is preferably made of Cu, Al or Ni, or an alloy containing Cu, Al or Ni as a main component.
  • the base material does not need to be made of a metal or alloy having a high solder wettability, and may be made of a metal or an alloy having no high solder wettability such as Al.
  • the outermost surface layer is preferably made of Cu, Ni, Au or Ag, or an alloy containing Cu, Ni, Au or Ag as a main component.
  • the insulating layer 2401 of the lower surface insulated circuit board 2040 and the insulating layer 2421 of the upper surface insulated circuit board 2025 are epoxy resin layers.
  • the epoxy resin layer is made of a cured product of the resin composition.
  • the resin composition contains an epoxy resin and a filler such as a BN (boron nitride) filler and an AlN (aluminum nitride) filler.
  • the filler is dispersed in the epoxy resin.
  • the epoxy resin layer may be replaced with another type of layer having a high insulating property and a high heat dissipation layer.
  • the lower surface 2480 of the base 2420 of the lower insulating circuit board 2040 and the upper surface 2500 of the base 2400 of the upper insulating circuit board 2025 are exposed to the outside without being covered with resin. Accordingly, the lower surface 2480 of the base 2420 and the upper surface 2500 of the base 2400 can be brought into close contact with the cooler, and heat can be efficiently released from the lower surface 2480 of the base 2420 and the upper surface 2500 of the base 2400.
  • the lower surface insulated circuit board 2040 has, for example, an outer dimension of 35 mm ⁇ 48 mm and a thickness of 3 mm.
  • the signal terminal 1041 has a thickness of 0.4 mm, for example.
  • the first external terminal 1042 and the second external terminal 1043 have a thickness of 0.8 mm, for example.
  • the frame member 1044 has, for example, an outer dimension of 48 mm ⁇ 56 mm and a height of 6.2 mm.
  • the IGBT has, for example, an outer dimension of 16 mm ⁇ 16 mm and a thickness of 0.3 mm.
  • the diode When the second semiconductor element 1022 is a diode, the diode has, for example, an outer dimension of 16 mm ⁇ 16 mm and a thickness of 0.3 mm.
  • the upper surface insulating circuit board 2025 has an outer dimension of 30 mm ⁇ 44 mm and a thickness of 3 mm.
  • the step surface 1180 of the step portion 1161 has a height of 3.6 mm from the bottom surface, for example.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a manufacturing flow of the power module according to the second embodiment.
  • steps S201 to S205 shown in FIG. 15 are sequentially executed.
  • step S201 the insert mold frame 1020 is formed by insert molding.
  • the first external terminal 1042 is already bonded to the conductor layer 2402 of the lower surface insulated circuit board 2040 at this stage.
  • step S202 the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are placed on the upper surface 2440 of the conductor layer 2402 of the lower surface insulated circuit board 2040 with the first lower surface solder sheet and the second lower surface solder sheet sandwiched therebetween.
  • the placed intermediate product is prepared. Further, the intermediate product is heated by the reflow furnace. Thereby, the first lower surface solder sheet and the second lower surface solder sheet are changed to the first lower surface solder layer 1023 and the second lower surface solder layer 1024, respectively, and the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 is soldered to the conductor layer 2402.
  • step S203 one end of the bonding wire 1029 is bonded to the signal electrode 1062 of the first semiconductor element 1021, and the other end of the bonding wire 1029 is bonded to the signal terminal 1041.
  • the signal electrode 1062 is electrically connected to the signal terminal 1041 via the bonding wire 1029.
  • step S204 an intermediate product in which the upper surface insulating circuit board 2025 is placed on the step surface 1180 of the step portion 1161 is prepared.
  • the upper surface insulated circuit board 2025 sandwiches the first upper surface solder sheet, the second upper surface solder sheet, and the third upper surface solder sheet, respectively, and the first semiconductor element 1021, the second semiconductor element 1022, and the second semiconductor element 1022. 2 is arranged on the external terminal 1043.
  • the intermediate product is heated by the reflow furnace.
  • the first upper surface solder sheet, the second upper surface solder sheet, and the third upper surface solder sheet become the first upper surface solder layer 1026, the second upper surface solder layer 1027, and the third upper surface solder layer 1028, respectively.
  • the first semiconductor element 1021, the second semiconductor element 1022, and the second external terminal 1043 are soldered to the conductor layer 2422 of the upper surface insulating circuit board 2025.
  • the lower surface insulating circuit board 2040 and the upper surface insulating circuit board 2025 are arranged such that the lower surface 2480 of the base 2420 of the lower surface insulating circuit board 2040 and the upper surface 2500 of the base 2400 of the upper surface insulating circuit board 2025 face in opposite directions.
  • the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022 are sandwiched between and.
  • step S205 the direct potting resin is poured into the gap 1140 while being heated to 60 ° C., and the direct potting resin that has been poured is subjected to vacuum defoaming and heating.
  • the heating is performed according to a heating profile of maintaining 100 ° C. for 1.5 hours and then 140 ° C. for 1.5 hours.
  • the poured direct potting resin cures and changes into the sealing resin portion 1030, and the power module 2000 shown in FIGS. 13 and 14 is completed.
  • the completed power module 2000 has a total thickness of 6.6 mm, which is thicker than the height of the frame member 1044, which is 5.2 mm, by placing the upper surface insulating circuit board 2025 on the step surface 1180 of the step portion 1161 in step S204.
  • the upper surface 2500 of the base 2400 of the upper surface insulated circuit board 2025 projects from the frame member 1044, and the lower surface 2480 of the base 2420 of the lower surface insulated circuit board 2040 and the upper surface 2500 of the base 2400 of the upper surface insulated circuit board 2025 are reliably held in the cooler. Can be contacted.
  • the lower surface insulated circuit board 2040 is embedded in the frame member 1044, and the sealing resin portion 1030 fills the gap between the frame member 1044 and the upper surface insulated circuit board 2025. To do. Therefore, it is possible to prevent the resin from adhering to the lower surface 2480 of the base 2420 of the lower insulated circuit board 2040 and the upper surface 2500 of the base 2400 of the upper insulated circuit board 2025 during the manufacturing of the power module 2000.
  • the step surface 1180 of the step portion 1161 for positioning the upper surface heat spreader 1025 is inside the frame-shaped portion 1160. Therefore, the step surface 1180 of the step portion 1161 does not cause leakage of the liquid sealing material that is the precursor of the sealing resin portion 1030, and the leakage of the liquid sealing material can be suppressed.
  • the base 2420 of the upper insulating circuit board 2025 and the base 2400 of the lower insulating circuit board 2040 are electrically insulated from the first semiconductor element 1021 and the second semiconductor element 1022. Therefore, the upper surface insulated circuit board 2025 and the lower surface insulated circuit board 2040 can be bonded to the cooler via a bonding medium having high thermal conductivity such as solder. Further, a power module having a module configuration of 2 in 1, 6 in 1 or the like can be easily manufactured.
  • FIG. 16 shows a power module of another example of the second embodiment from a first top surface solder layer, a second top surface solder layer, a third top surface solder layer, and a fourth surface solder layer. It is an exploded top view which illustrates typically what removed the solder layer of, the 5th solder layer, and the sealing resin part. 17 and 18 are sectional views schematically showing another example of the power module of the second embodiment. 17 and 18 illustrate cross sections at the locations of the cut lines DD and EE depicted in FIG. 16, respectively.
  • the upper surface insulating circuit board 2025 includes a signal circuit 2423.
  • the signal electrode 1062 is soldered to the lower surface 2461 of the signal circuit 2423 via the fourth upper surface solder layer 2031.
  • the signal electrode 1062 is electrically connected to the signal circuit 2423.
  • the signal terminal 1041 is soldered to the lower surface 2461 of the signal circuit 2423 via the fifth upper surface solder layer 2032. Accordingly, the signal terminal 1041 is electrically connected to the signal circuit 2423 and electrically connected to the signal electrode 1062 through the signal circuit 2423.
  • the insulating layer 2421 is provided between the base 2420 and the conductor layer 2422 and the signal circuit 2423, and electrically insulates the base 2420 from the conductor layer 2422 and the signal circuit 2423. Accordingly, the bonding wire that electrically connects the signal electrode 1062 to the signal terminal 1041 can be omitted.
  • the step portion 1161 has a tapered surface 2182 in addition to the step surface 1180.
  • the tapered surface 2182 is closer to the second direction D2 than the step surface 1180.
  • the tapered surfaces 2182 sandwich a gap.
  • the width in the direction perpendicular to the first direction D1 becomes narrower as it goes in the first direction D1.
  • the tapered surface 2182 invites the upper surface insulating circuit board 2025 to a specific position in a direction perpendicular to the first direction D1 and is positioned at the specific position. It As a result, the positioning accuracy of the upper surface insulated circuit board 2025 can be improved. Accordingly, high positioning of the upper surface insulating circuit board 2025 with respect to the first semiconductor element 1021 is required when the signal circuit 2423 electrically connected to the signal electrode 1062 through the fourth upper surface solder layer 2031 is provided. The accuracy can be satisfied.
  • FIG. 19 is a top view schematically showing a power module according to the third embodiment.
  • FIG. 20 is a sectional view schematically showing the power module according to the third embodiment.
  • FIG. 20 illustrates a cross section at the location of the section line FF depicted in FIG.
  • the power module 3000 of the third embodiment shown in FIGS. 19 and 20 differs from the power module 1000 of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 mainly in the following differences.
  • the upper surface heat spreader 1025 does not have an opening.
  • the upper surface heat spreader 1025 has the first opening 3520, the second opening 3521, and the third opening 3522.
  • the configuration adopted in the power module 3000 of the third embodiment will be described in relation to the above differences.
  • the configuration adopted in the power module 1000 of the first embodiment is also adopted in the power module 3000 of the third embodiment.
  • Top Heat Spreader Joint and Opening Top heat spreader 1025 includes a first joint 3500, a second joint 3501 and a third joint 3502, as shown in FIG.
  • the first bonding portion 3500, the second bonding portion 3501, and the third bonding portion 3502 are bonded through the first upper surface solder layer 1026, the second upper surface solder layer 1027, and the third upper surface solder layer 1028, respectively. It is soldered to the first semiconductor element 1021, the second semiconductor element 1022, and the second external terminal 1043 which are the above.
  • the upper surface heat spreader 1025 has a first opening 3520, a second opening 3521, and a third opening 3522 in the first joint 3500, the second joint 3501, and the third joint 3502, respectively.
  • the first opening 3520, the second opening 3521, and the third opening 3522 penetrate the upper surface heat spreader 1025 in the second direction D2.
  • the power module 3000 can be manufactured similarly to the power module 1000. Therefore, when the power module 3000 is manufactured, the first upper surface solder sheet 1303, the second upper surface solder sheet 1304, and the third upper surface solder sheet 1305 are respectively attached to the first upper surface solder layer 1026 and the second upper surface solder layer 1026. By changing the solder layer 1027 and the third upper surface solder layer 1028, the first upper surface solder layer 1026, the second upper surface solder layer 1027, and the third upper surface solder layer 1028 can be formed. However, when the power module 3000 is manufactured, the molten material of the solder is injected through the first opening 3520, the second opening 3521, and the third opening 3522, and the first opening 3520 is injected.
  • the second upper surface solder layer 1021, the second upper surface solder layer 1027, and the third upper surface solder layer 1028 are respectively filled with the melted material of the solder injected through the second opening portion 3521 and the third opening portion 3522. It is also possible to form the first upper surface solder layer 1026, the second upper surface solder layer 1027, and the third upper surface solder layer 1028 by changing the above.
  • a paste containing Ag nanoparticles, which is a precursor of an Ag sintered material, may be injected instead of the molten material of the solder.
  • the direct potting resin 1320 may flow into all or part of the first opening 3520, the second opening 3521, and the third opening 3522 during the manufacturing of the power module 3000.
  • the productivity and reliability of the power module 3000 can be improved, as in the first embodiment.
  • leakage of the liquid sealing material can be suppressed.
  • the first opening 3520, the second opening 3521, and the third opening 3522 are respectively connected to the first joint 3500, the second joint 3501, and the third joint 3501. It can be used to allow excess solder to escape from the joint portion 3502, and can be used to inspect whether the first joint portion 3500, the second joint portion 3501, and the third joint portion 3502 are formed. ..
  • FIG. 21 is a top view schematically showing the power module according to the fourth embodiment.
  • FIG. 22 schematically illustrates the power module of the fourth embodiment with the upper surface heat spreader, the first upper surface solder layer, the second upper surface solder layer, the third upper surface solder layer, and the sealing resin portion removed. It is a top view.
  • 23, 24, and 25 are sectional views schematically showing the power module according to the fourth embodiment. 23, 24, and 25 illustrate cross-sections at the positions of the cutting lines GG, HH, and II drawn in FIG. 21, respectively.
  • the power module 4000 of the fourth embodiment illustrated in FIGS. 21 to 25 differs from the power module 1000 of the first embodiment illustrated in FIGS. 1 to 5 mainly in the following differences.
  • the first external terminal 1042 and the second external terminal 1043 project from the frame member 1044 in the same direction.
  • the signal terminal 1041 projects from the frame member 1044 in a direction opposite to the direction in which the first external terminal 1042 and the second external terminal 1043 project.
  • the signal terminal 1041, the first external terminal 1042, and the second external terminal 1043 project from the frame member 1044 in the same direction. This increases the degree of freedom in assembling the power module into another device.
  • the configuration adopted in the power module 1000 of the first embodiment is also adopted in the power module 4000 of the fourth embodiment.
  • the configuration adopted in the power module 2000 of the second embodiment or the power module 3000 of the third embodiment may be adopted in the power module 4000 of the fourth embodiment.
  • FIG. 26 is a sectional view schematically showing the power module according to the fifth embodiment.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the power module according to the fifth embodiment is inserted into the cooling heat dissipation member.
  • the power module 5000 of the fifth embodiment shown in FIG. 26 mainly differs from the power module 1000 of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5 in the following points.
  • the upper surface heat spreader 1025 is positioned at a position where the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 is parallel to the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040.
  • upper surface heat spreader 1025 is positioned at a position where upper surface 1121 of upper surface heat spreader 1025 is inclined with respect to lower surface 1101 of lower surface heat spreader 1040.
  • Inclining the upper surface 1121 of the upper surface heat spreader 1025 with respect to the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 is realized by making the heights of the plurality of portions 1171, 1172, 1173 and 1174 of the step surface 1180 of the step portion 1161 different from each other. be able to. As a result, the power module 5000 having a tapered shape is obtained. Further, as shown in FIG. 27, even when the insertion hole into which the power module 5000 is inserted has a draft angle due to a manufacturing restriction, the upper surface of the power module 5000 inserted into the insertion hole is provided.
  • the upper surface 1121 of the heat spreader 1025 and the lower surface 1101 of the lower surface heat spreader 1040 provided in the power module 5000 inserted in the insertion hole can be sufficiently brought into contact with the heat dissipation member 5500, and heat dissipation can be improved.
  • the configuration adopted in the power module 1000 of the first embodiment is also adopted in the power module 5000 of the fifth embodiment.
  • the configuration adopted in the power module 2000 of the second embodiment, the power module 3000 of the third embodiment or the power module 4000 of the fourth embodiment may be adopted in the power module 5000 of the fifth embodiment.
  • the present embodiment is an application of the semiconductor device according to the above-described first to fifth embodiments to a power conversion device.
  • the application of the semiconductor device according to the first to fifth embodiments is not limited to a specific power conversion device, the semiconductor device according to the first to fifth embodiments will be described below as a sixth embodiment in a three-phase inverter. The case where is applied will be described.
  • FIG. 28 is a block diagram showing a configuration of a power conversion system to which the power conversion device according to the present embodiment is applied.
  • the power conversion system shown in FIG. 28 includes a power supply 100, a power conversion device 200, and a load 300.
  • the power supply 100 is a DC power supply and supplies DC power to the power converter 200.
  • the power supply 100 can be configured by various types, for example, a DC system, a solar battery, a storage battery, or a rectifier circuit or an AC / DC converter connected to an AC system. Good. Further, the power supply 100 may be configured by a DC / DC converter that converts DC power output from the DC system into predetermined power.
  • the power conversion device 200 is a three-phase inverter connected between the power supply 100 and the load 300, converts DC power supplied from the power supply 100 into AC power, and supplies AC power to the load 300. As shown in FIG. 28, the power conversion device 200 includes a main conversion circuit 201 that converts DC power into AC power and outputs the AC power, and a control circuit 203 that outputs a control signal for controlling the main conversion circuit 201 to the main conversion circuit 201. It has and.
  • the load 300 is a three-phase electric motor driven by the AC power supplied from the power converter 200.
  • the load 300 is not limited to a specific use, and is an electric motor mounted on various electric devices, and is used as, for example, a hybrid car, an electric car, a railway vehicle, an elevator, or an electric motor for an air conditioner.
  • the main conversion circuit 201 includes a switching element and a free wheeling diode (not shown), and by switching the switching element, the DC power supplied from the power supply 100 is converted into AC power and supplied to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 is a two-level three-phase full bridge circuit, and has six switching elements and respective switching elements. It can consist of six freewheeling diodes in anti-parallel.
  • Each switching element and each free wheeling diode of the main conversion circuit 201 are configured by the semiconductor module 202 corresponding to any of the above-described first to fifth embodiments.
  • the six switching elements are connected in series every two switching elements to form upper and lower arms, and each upper and lower arm constitutes each phase (U phase, V phase, W phase) of the full bridge circuit.
  • the output terminals of the upper and lower arms, that is, the three output terminals of the main conversion circuit 201 are connected to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 includes a drive circuit (not shown) that drives each switching element, but the drive circuit may be built in the semiconductor module 202, or a drive circuit may be provided separately from the semiconductor module 202. The configuration may be provided.
  • the drive circuit generates a drive signal for driving the switching element of the main conversion circuit 201, and supplies the drive signal to the control electrode of the switching element of the main conversion circuit 201.
  • a drive signal for turning on the switching element and a drive signal for turning off the switching element are output to the control electrodes of the respective switching elements according to a control signal from the control circuit 203 described later.
  • the drive signal is a voltage signal (ON signal) that is equal to or higher than the threshold voltage of the switching element. It becomes a signal (off signal).
  • the control circuit 203 controls the switching elements of the main conversion circuit 201 so that desired electric power is supplied to the load 300. Specifically, the time (ON time) that each switching element of the main conversion circuit 201 should be in the ON state is calculated based on the power to be supplied to the load 300.
  • the main conversion circuit 201 can be controlled by PWM control that modulates the on-time of the switching element according to the voltage to be output. Then, at each time point, a control command (control signal) is issued to the drive circuit included in the main conversion circuit 201 so that the ON signal is output to the switching element that should be in the ON state and the OFF signal is output to the switching element that should be in the OFF state. Is output.
  • the drive circuit outputs an ON signal or an OFF signal as a drive signal to the control electrode of each switching element.
  • the semiconductor module according to the first to fifth embodiments is applied as the switching element and the free wheeling diode of the main conversion circuit 201, so that it is possible to improve productivity and reliability. You can
  • the application of the semiconductor device according to the embodiment 1-5 is not limited to this. However, it can be applied to various power conversion devices.
  • the two-level power conversion device is used, but a three-level or multi-level power conversion device may be used.
  • a single-phase inverter is used.
  • the semiconductor device according to the form 1-5 may be applied.
  • the semiconductor device according to the first to fifth embodiments can be applied to a DC / DC converter or an AC / DC converter.
  • the power converter to which the semiconductor device according to the first to fifth embodiments is applied is not limited to the case where the above-mentioned load is an electric motor, and for example, an electric discharge machine, a laser machine, or an induction heating cooker. It can also be used as a power supply device for a non-contactor power feeding system, and can also be used as a power conditioner for a solar power generation system, a power storage system, or the like.

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Abstract

２個の放熱面に付着した樹脂を除去し２個の放熱面を露出させる研磨工程を不要とし、半導体装置の生産性及び信頼性を向上する。また、液体封止材の漏れ出しを抑制する。半導体装置は、第１の放熱部材、枠部材、第２の放熱部材、半導体素子及び封止樹脂部を備える。第１の放熱部材は、枠部材に埋設されている。枠部材は、枠状部及び位置決め部を備える。位置決め部は、枠状部の内側にある。第２の放熱部材は、位置決め部に当たり、位置決め部により位置決めされる。第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面は、互いに反対の方向を向き、外部に露出する。半導体素子は、第１の放熱部材と第２の放熱部材とに挟まれる。封止樹脂部は、枠部材と第２の放熱部材との間隙を充填する。

Description

半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造方法
　本発明は、半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造方法に関する。
　複数の半導体素子が実装されたパワーモジュールは、産業機器、家電、情報端末等の製品に搭載され、発電、送電、効率的なエネルギーの利用及び再生等のために利用される。
　パワーモジュールには、高電圧化及び大電流化のニーズを満たすために、高い放熱性を有することが求められる。このため、パワーモジュール、特に輸送機器用パワーモジュールにおいては、多くの場合は、半導体素子の裏面からだけでなく半導体素子の活性面からも積極的に放熱を行わせることができる両面冷却構造が採用される。
　両面冷却構造が採用されたパワーモジュールは、多くの場合は、半導体素子、２個の放熱部材及び封止樹脂部を備える。２個の放熱部材は、半導体素子を挟む。封止樹脂部は、トランスファーモールド成形により成形され、半導体素子、及び２個の放熱部材を封止する。２個の放熱部材がそれぞれ有する２個の放熱面は、互いに反対の方向を向き、封止樹脂部に覆われることなく露出する。封止樹脂部は、封止樹脂からなる液体封止材を充填し、充填した液体封止材を硬化させることにより形成される。
　例えば、特許文献１に記載された半導体装置は、半導体チップ、下側ヒートシンク、ヒートシンクブロック、上側ヒートシンク及び樹脂を備える（段落００１３及び００１９）。半導体チップの下面と下側ヒートシンクの上面との間は、半田によって接合される（段落００１４）。半導体チップの上面とヒートシンクブロックの下面との間は、半田によって接合される（段落００１４）。ヒートシンクブロックの上面と上側ヒートシンクの下面との間は、半田によって接合される（段落００１４）。これにより、半導体チップの両面から下側ヒートシンク及び上側ヒートシンクを介して放熱される（段落００１４）。樹脂は、一対の下側ヒートシンク及び上側ヒートシンクの隙間、並びに半導体チップ及びヒートシンクブロックの周囲部分を充填封止する（段落００１９）。下側ヒートシンクの下面及び上側ヒートシンクの上面は、露出する（段落００２６）。
　また、両面冷却構造が採用されたパワーモジュールにおいては、放熱部材を位置決めするための構造が採用される場合がある。
　例えば、特許文献２に記載されたパワーモジュールは、第１の冷却器、ハウジング、回路ユニット、放熱材、第２の冷却器及び封止樹脂体を備える（段落００２５、００２６及び００３１）。回路ユニットは、絶縁基板及び半導体素子を備える（段落００２５）。絶縁基板は、第１の冷却器上に接着される（段落００２５）。半導体素子は、絶縁基板上に載置される（段落００２５）。放熱材は、回路ユニットにはんだ付けされる（段落００２５）。第２の冷却器は、放熱材と接触する（段落００２６）。回路ユニットが収容される収容空間内には、封止樹脂体が形成される（段落００２５及び００３１）。第２の冷却器は、格子状の隔壁に形成される凹溝に嵌め合いされる（段落００２９）。これにより、収容空間と第２の冷却器との間に、樹脂を充填するための隙間が形成される（段落００３０）。
　また、家電に搭載されるパワーモジュールには、小型軽量化が求められるとともに、高い信頼性を有することが求められ、多品種生産に対応することができる高い生産性を有することが求められる。
　加えて、パワーモジュールには、高い動作温度及び高い効率を有し今後の主流となる可能性が高いＳｉＣ半導体に適用することができるパッケージ形態を有することも同時に求められる。
特開２００３－１１００６４号公報 特開２００９－１６４１５６号公報
　両面冷却構造が採用されたパワーモジュールにおいて２個の放熱面に樹脂が付着した場合は、２個の放熱面を冷却器に接続することが困難になる。このため、２個の放熱面に付着した樹脂を除去し２個の放熱面を露出させる研磨工程が必要になる。
　しかし、研磨工程は、特殊な装置、及び長い加工時間を必要とし、パワーモジュールの生産性の低下の原因となる。また、研磨工程は、研磨工程において発生した金属粉を洗浄、清掃等により完全に除去しない限り、絶縁不良等のパワーモジュールの信頼性の低下の原因となる。
　また、両面冷却構造が採用されたパワーモジュールにおいて放熱部材を位置決めするための構造が採用される場合は、当該構造が液体封止材の漏れ出しの原因となる場合がある。例えば、特許文献２に記載されたパワーモジュールにおいては、第２の冷却器と凹溝との間に形成される隙間を経由して液体封止材が漏れ出す可能性がある。この問題は、液体封止材の流動性を確保するために液体封止材が６０℃程度まで加熱されて液体封止材の粘度が２から６Ｐａ・Ｓまで低下させられ、液体封止材がわずかな隙間に侵入しうるようになった場合に特に顕著になる。
　これらの問題は、複数の半導体素子が実装されたパワーモジュールだけでなく、ひとつの半導体素子が実装されたディスクリート部品においても生じる。
　本発明は、これらの問題に鑑みてなされた。本発明が解決しようとする課題は、２個の放熱面に付着した樹脂を除去し２個の放熱面を露出させる研磨工程を不要とし、半導体装置の生産性及び信頼性を向上することである。また、本発明が解決しようとする他の課題は、液体封止材の漏れ出しを抑制することである。
　本発明は、半導体装置に向けられる。
　半導体装置は、第１の放熱部材、枠部材、第２の放熱部材、半導体素子及び封止樹脂部を備える。
　枠部材には、第１の放熱部材が埋設されている。
　枠部材は、枠状部及び位置決め部を備える。位置決め部は、枠状部の内側にある。第２の放熱部材は、位置決め部に当たり、位置決め部により位置決めされる。
　第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面は、互いに反対の方向を向き、外部に露出する。
　半導体素子は、第１の放熱部材と第２の放熱部材とに挟まれる。
　封止樹脂部は、枠部材と第２の放熱部材との間隙を充填し、半導体素子を封止する。
　本発明は、当該半導体装置を備える電力変換装置にも向けられる。
　本発明は、半導体装置の製造方法にも向けられる。
　当該半導体装置の製造方法においては、第１の放熱面を有する第１の放熱部材が埋設されており、枠状部と当該枠状部の内側にある位置決め部とを備える枠部材がインサート成形により成形される。
　その後に、第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面が互いに反対の方向を向き、第２の放熱部材が位置決め部に当たり、第２の放熱部材が位置決め部により位置決めされるように、第１の放熱部材と第２の放熱部材とで半導体素子が挟まれる。
　その後に、枠部材と第２の放熱部材との間隙に封止樹脂からなる液体封止材が流し込まれ硬化させられる。
　本発明によれば、第１の放熱部材が枠部材に埋設され、封止樹脂部が枠部材と第２の放熱部材との間隙を充填する。このため、半導体装置の製造の途上において第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面に樹脂が付着することを抑制することができる。これにより、第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面に付着した樹脂を除去し第１の放熱部材の第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面を露出させる研磨工程が不要になり、半導体装置の生産性及び信頼性を向上することができる。
　また、本発明によれば、放熱部材を位置決めするための位置決め部が枠状部の内側にある。このため、位置決め部が液体封止材の漏れ出しの原因とならず、液体封止材の漏れ出しを抑制することができる。
　本発明の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態１のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。 実施の形態１のパワーモジュールから上面ヒートスプレッダ、第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する上面図である。 実施の形態１のパワーモジュールから封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解斜視図である。 実施の形態１のパワーモジュールの図１に描かれた切断線Ａ－Ａの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態１のパワーモジュールの図１に描かれた切断線Ｂ－Ｂの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態１のパワーモジュールの製造の流れを示すフローチャートである。 実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。 実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。 実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。 実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。 実施の形態１の第１の別例のパワーモジュールの図１に描かれた切断線Ａ－Ａの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態１の第２の別例のパワーモジュールの図１に描かれた切断線Ａ－Ａの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態２のパワーモジュールから第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解上面図である。 実施の形態２のパワーモジュールの図１３に描かれた切断線Ｃ－Ｃの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態２のパワーモジュールの製造の流れを示すフローチャートである。 実施の形態２の別例のパワーモジュールから第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層、第４の上面はんだ層、第５の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解上面図である。 実施の形態２の別例のパワーモジュールの図１６に描かれた切断線Ｄ－Ｄの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態２の別例のパワーモジュールの図１６に描かれた切断線Ｅ－Ｅの位置におけるを模式的に図示する断面図である。 実施の形態３のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。 実施の形態３のパワーモジュールの図１９に描かれた切断線Ｆ－Ｆの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態４のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。 実施の形態４のパワーモジュールから下述する上面ヒートスプレッダ、第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する上面図である。 実施の形態４の第１の別例のパワーモジュールの図２１に描かれた切断線Ｇ－Ｇの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態４の第１の別例のパワーモジュールの図２１に描かれた切断線Ｈ－Ｈの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態４の第１の別例のパワーモジュールの図２１に描かれた切断線Ｉ－Ｉの位置における断面を模式的に図示する断面図である。 実施の形態５のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。 実施の形態５のパワーモジュールが冷却用の放熱部材に挿入された状態を模式的に図示する断面図である。 実施の形態６の電力変換装置を図示するブロック図である。
　１　実施の形態１
　１．１　パワーモジュールの概略
　図１は、実施の形態１のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。図２は、実施の形態１のパワーモジュールから下述する上面ヒートスプレッダ、第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する上面図である。図３は、実施の形態１のパワーモジュールから下述する封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解斜視図である。図４及び図５は、実施の形態１のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図４及び図５は、それぞれ図１に描かれる切断線Ａ－Ａ及びＢ－Ｂの位置における断面を図示する。
　実施の形態１のパワーモジュール１０００は、図１から図５までに図示されるように、インサートモールドフレーム１０２０、第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２、第１の下面はんだ層１０２３、第２の下面はんだ層１０２４、上面ヒートスプレッダ１０２５、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７、第３の上面はんだ層１０２８、ボンディングワイヤ１０２９及び封止樹脂部１０３０を備える。パワーモジュール１０００がこれらの要素以外を備えてもよい。
　１．２　インサートモールドフレーム
　インサートモールドフレーム１０２０は、図１から図５までに図示されるように、下面ヒートスプレッダ１０４０、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２、第２の外部端子１０４３及び枠部材１０４４を備える。インサートモールドフレーム１０２０がこれらの要素以外の要素を備えてもよい。下面ヒートスプレッダ１０４０、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３は、枠部材１０４４に埋設されている。
　インサートモールドフレーム１０２０は、下面ヒートスプレッダ１０４０、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３を挟み込んだ金型の隙間に樹脂の硬化前流動体を注入し、注入した樹脂の硬化前流動体を硬化させることにより、成形される。このため、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３が枠部材１０４４を貫通する場合でも、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材が漏れ出す隙間が信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３と枠部材１０４４との間に形成されることを抑制することができる。また、インサートモールドフレーム１０２０が成形される際の樹脂の硬化前流動体の注入の圧力は、トランスファーモールドフレームが成形される際のそれよりも低い。このため、インサートモールドフレーム１０２０が成形される際に下面ヒートスプレッダ１０４０の表面等の上に樹脂の硬化物からなる薄い膜が形成されることは起こりにくい。また、当該膜が形成された場合でも、当該膜を除去することは容易である。
　１．３　半導体素子、ヒートスプレッダ、信号端子及び外部端子の接合
　第１の半導体素子１０２１は、図４及び図５に図示されるように、裏面電極１０６０を備える。第２の半導体素子１０２２は、図４及び図５に図示されるように、裏面電極１０８０を備える。
　第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０は、図４及び図５に図示されるように、それぞれ第１の下面はんだ層１０２３及び第２の下面はんだ層１０２４を介して、下面ヒートスプレッダ１０４０の上面１１００にはんだ接合される。これにより、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、下面ヒートスプレッダ１０４０にダイボンドされ、下面ヒートスプレッダ１０４０に機械的及び熱的に結合され、下面ヒートスプレッダ１０４０に電気的に接続される。
　第１の半導体素子１０２１は、図２から図５までに図示されるように、表面電極１０６１をさらに備える。第２の半導体素子１０２２は、図２から図５までに図示されるように、表面電極１０８１をさらに備える。
　第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１及び第２の半導体素子１０２２の表面電極１０８１は、図４及び図５に図示されるように、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６及び第２の上面はんだ層１０２７を介して、上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０にはんだ接合される。これにより、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、上面ヒートスプレッダ１０２５にダイボンドされ、上面ヒートスプレッダ１０２５に機械的及び熱的に結合され、上面ヒートスプレッダ１０２５に電気的に接続される。
　第１の半導体素子１０２１は、図２から図５までに図示されるように、信号電極１０６２をさらに備える。信号電極１０６２は、ボンディングワイヤ１０２９を介して、信号端子１０４１に電気的に接続される。
　第１の外部端子１０４２は、図４に図示されるように、下面ヒートスプレッダ１０４０の上面１１００に接合される。これにより、第１の外部端子１０４２が、下面ヒートスプレッダ１０４０に電気的に接続される。また、第１の外部端子１０４２が、下面ヒートスプレッダ１０４０を介して、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０に電気的に接続される。
　第２の外部端子１０４３は、図５に図示されるように、第３の上面はんだ層１０２８を介して、上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０にはんだ接合される。これにより、第２の外部端子１０４３が、上面ヒートスプレッダ１０２５に電気的に接続される。また、第２の外部端子１０４３が、上面ヒートスプレッダ１０２５を介して、第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１及び第２の半導体素子１０２２の表面電極１０８１に電気的に接続される。
　はんだを接合媒体として用いるはんだ接合が、他の種類の接合に置き換えられてもよい。例えば、はんだ接合が、導電性接着剤の硬化物、Ａｇ焼結材、Ｃｕ焼結材等を接合媒体として用いる接合に置き換えられてもよい。導電性接着剤は、例えばエポキシ樹脂及びＡｇフィラーを含む。Ａｇフィラーは、エポキシ樹脂に分散させられている。Ａｇ焼結材及びＣｕ焼結材は、それぞれＡｇナノ粒子及びＣｕナノ粒子を低温焼成することにより得られる。
　１．４　放熱経路
　下面ヒートスプレッダ１０４０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間には、図４及び図５に図示されるように、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が挟まれる。第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が発した熱は、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５を通過し、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１から放たれる。また、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１は、第１の方向Ｄ１を向き、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１は、第１の方向Ｄ１とは反対の第２の方向Ｄ２を向く。これにより、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が放熱面となり、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が、それぞれ両面冷却構造を構成する第１の放熱部材及び第２の放熱部材となる。
　下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１は、樹脂に覆われることなく外部に露出する。これにより、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１を冷却器に密着させることができ、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１から効率的に熱を放つことができる。
　１．５　半導体素子の封止
　封止樹脂部１０３０は、封止樹脂の硬化物からなり、図４及び図５に図示されるように、インサートモールドフレーム１０２０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙１１４０を充填する。間隙１１４０の主要部分は、下面ヒートスプレッダ１０４０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙、及び枠部材１０４４と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙からなる。これにより、下面ヒートスプレッダ１０４０と上面ヒートスプレッダ１０２５とに挟まれる第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が封止される。
　１．６　上面ヒートスプレッダの位置決め
　枠部材１０４４は、図２及び図３に図示されるように、枠状部１１６０及び段差部１１６１を備える。
　枠状部１１６０は、枠状の形状を有する。段差部１１６１は、枠状部１１６０の内側にある。段差部１１６１の段差面１１８０は、枠状部１１６０の最も第２の方向Ｄ２寄りにある端部１２００との間に段差を有する。上面ヒートスプレッダ１０２５は、段差部１１６１の段差面１１８０に当たり、段差部１１６１の段差面１１８０により位置決めされる。これにより、段差部１１６１の段差面１１８０が上面ヒートスプレッダ１０２５を位置決めする位置決め部となり、上面ヒートスプレッダ１０２５が望ましい位置に位置決めされ、パワーモジュール１０００の厚さの精度を向上することができる。
　当該望ましい位置は、図４及び図５に図示されるように、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が枠部材１０４４から第２の方向Ｄ２にわずかにはみ出す位置である。これにより、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材が上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１にかぶることを抑制することができ、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１に樹脂が付着することを抑制することができる。
　上面ヒートスプレッダ１０２５が位置決めされる位置は、インサートモールドフレーム１０２０の底面から段差部１１６１の段差面１１８０までの高さにより決まる。当該高さは、段差部１１６１が枠状部１１６０のどこに配置されるかにより決まる。段差部１１６１の段差面１１８０は、互いに離れた複数の部分１１７１，１１７２，１１７３及び１１７４を備える。複数の部分１１７１，１１７２，１１７３及び１１７４は、同一平面を構成し、上面ヒートスプレッダ１０２５の、第１の方向Ｄ１を向く下面１１２０に接触する。これにより、上面ヒートスプレッダ１０２５が、段差部１１６１の段差面１１８０の複数の部分１１７１，１１７２，１１７３及び１１７４により構成される同一平面上に位置決めされる。また、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８の厚さを望ましい厚さに維持することができ、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８が過剰につぶれることを抑制することができる。
　段差部１１６１は、図２及び図３に図示されるように、望ましくは第２の方向Ｄ２に伸びる半円柱状の形状を有する。これにより、インサートモールドフレーム１０２０のインサート成形に用いられる金型を作製する際に加工が容易になり、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材を箱内空間１２２０に注入する際に段差部１１６１が液体封止材の流れを阻害することを抑制することができる。
　１．７　インサートモールドフレーム内への封止樹脂部の収容
　下面ヒートスプレッダ１０４０及び枠部材１０４４は、図３、図４及び図５に図示されるように、側壁が主に枠状部１１６０により構成され、底が主に下面ヒートスプレッダ１０４０により構成される無蓋箱状の形状を形成する。封止樹脂部１０３０は、当該無蓋箱状の形状により定義される箱内空間１２２０に収まり、箱内空間１２２０からはみ出さない。これにより、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材が上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１にかぶることをさらに抑制することができ、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１に樹脂が付着することをさらに抑制することができる。
　１．８　液状封止材の注入位置
　上面ヒートスプレッダ１０２５は、図１から図５までに図示されるように、箱内空間１２２０の入口開口の平面形状より小さい平面形状を有する。また、上面ヒートスプレッダ１０２５は、枠状部１１６０に載ることなく枠状部１１６０内に収容することができる形状を有する。これにより、上面ヒートスプレッダ１０２５と枠状部１１６０との間に図１、図２及び図５に図示される隙間１２６０が形成され、形成された隙間１２６０から封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材をインサートモールドフレーム１０２０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙１１４０に容易に注入することができる。上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２は、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１の縁から上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０の縁まで延びる。上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２の全体は、枠状部１１６０から離れている。これにより、上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２の全体と枠状部１１６０との間に空間が形成される。当該空間には、インサートモールドフレーム１０２０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙１１４０に液体封止材が注入される際に、液体封止材を吐出するノズルが挿入される。当該空間によれば、箱内空間１２２０内のガスの入れ替わりが容易になる。
　１．９　封止樹脂部の材質
　封止樹脂は、ダイレクトポッティング樹脂である。ダイレクトポッティング樹脂は、エポキシ樹脂、及びシリカフィラー等のフィラーを含む。フィラーは、エポキシ樹脂に分散させられている。ダイレクトポッティング樹脂が、インサートモールドフレーム１０２０と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙１１４０に流し込むことができ、常温で、又は加熱若しくは紫外線（ＵＶ）照射により硬化させることができる他の種類の液体封止材に置き換えられてもよい。例えば、ダイレクトポッティング樹脂が液状ゲルに置き換えられてもよい。
　１．１０　ヒートスプレッダの材質
　下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５は、Ｃｕからなる。Ｃｕが、高い放熱性、高い導電性及び高いはんだ濡れ性を有する他の種類の金属又は合金に置き換えられてもよい。例えば、ＣｕがＮｉ、又はＮｉを主成分とする合金に置き換えられてもよい。
　１種類の金属からなる下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が、２種類以上の金属又は合金からなるヒートスプレッダに置き換えられてもよい。例えば、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が、高い放熱性及び高い導電性を有する金属又は合金からなる母材、並びに高いはんだ濡れ性を有する金属又は合金からなる最表面層からなるヒートスプレッダに置き換えられてもよい。母材は、望ましくはＣｕ、Ａｌ若しくはＮｉ、又はＣｕ、Ａｌ若しくはＮｉを主成分として含む合金からなる。母材は、高いはんだ濡れ性を有する金属又は合金により構成される必要はなく、Ａｌ等の高いはんだ濡れ性を有しない金属又は合金により構成されてもよい。最表面層は、望ましくはＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ若しくはＡｇ、又はＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ若しくはＡｇを主成分として含む合金からなる。
　１．１１　枠部材の材質
　枠部材１０４４は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂の硬化物からなる。ＰＰＳ樹脂が、他の種類の樹脂に置き換えられてもよい。例えば、ＰＰＳ樹脂が、液晶ポリマー（ＬＣＰ）樹脂に置き換えられてもよい。
　１．１２　半導体素子の裏面電極及び表面電極の材質
　第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び表面電極１０６１、並びに第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０及び表面電極１０８１は、はんだ、Ａｇ焼結材等の接合媒体を用いて接合先に接合することができる材質からなり、望ましくはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ若しくはＰｔ、又はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ若しくはＰｔを主成分として含む合金からなる。
　１．１３　ボンディングワイヤの材質
　ボンディングワイヤ１０２９は、Ａｌワイヤである。Ａｌワイヤが他の種類の導体ワイヤに置き換えられてもよい。例えば、Ａｌワイヤが、Ｃｕワイヤ、Ａｌ被覆Ｃｕワイヤ、Ａｕワイヤ等に置き換えられてもよい。
　１．１４　第１の半導体素子及び第２の半導体素子の種類
　第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２は、パワー半導体素子である。
　第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び表面電極１０６１は、それぞれ第１の半導体素子１０２１の第１の主電極及び第２の主電極である。第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２は、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０と第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１との間の導通状態を制御するための電極である。第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２には、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０と第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１との間の導通状態を制御するための信号が入力される。
　第１の半導体素子１０２１は、例えばＳｉ半導体である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。また、第２の半導体素子１０２２は、例えばダイオードである。第１の半導体素子１０２１がＩＧＢＴであり第２の半導体素子１０２２がダイオードである場合は、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０、表面電極１０６１及び信号電極１０６２は、それぞれＩＧＢＴのコレクタ、エミッタ及びゲートである。また、第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０及び表面電極１０８１は、それぞれダイオードのカソード及びアノードである。この場合は、パワーモジュール１０００は、インバータの１個のアームを構成することができ、当該ＩＧＢＴからなるスイッチング素子、及び当該ダイオードからなる還流ダイオードの対が１対だけ内蔵された１ｉｎ１のモジュール構成を有する。コレクタとエミッタとが入れ替えられアノードとカソードとが入れ替えられてもよい。
　第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、集積回路（ＩＣ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等であってもよい。
　１．１５　寸法の例
　下面ヒートスプレッダ１０４０は、例えば外形寸法３５ｍｍ×２２ｍｍ及び厚さ３ｍｍを有する。信号端子１０４１は、例えば厚さ０．４ｍｍを有する。第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３は、例えば厚さ０．８ｍｍを有する。枠部材１０４４は、例えば外形寸法４８ｍｍ×２８ｍｍ及び高さ６．２ｍｍを有する。第１の半導体素子１０２１がＩＧＢＴである場合は、当該ＩＧＢＴは、例えば外形寸法１５ｍｍ×１５ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有する。第２の半導体素子１０２２がダイオードである場合は、当該ダイオードは、例えば外形寸法１５ｍｍ×１５ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有する。上面ヒートスプレッダ１０２５は、例えば外形寸法３０ｍｍ×２０ｍｍ及び厚さ３ｍｍを有する。段差部１１６１の段差面１１８０は、例えば底面からの高さ３．６ｍｍを有する。
　１．１６　パワーモジュールの製造方法
　図６は、実施の形態１のパワーモジュールの製造の流れを示すフローチャートである。図７から図１０までは、実施の形態１のパワーモジュールの製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。
　パワーモジュール１０００の製造においては、図６に示される工程Ｓ１０１からＳ１０５までが順次に実行される。
　工程Ｓ１０１においては、図７に図示されるインサートモールドフレーム１０２０がインサート成形により成形される。図７に図示されない第１の外部端子１０４２は、この段階で下面ヒートスプレッダ１０４０に既に接合されている。
　工程Ｓ１０２においては、図７に図示されるように第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２がそれぞれ第１の下面はんだシート１３００及び第２の下面はんだシート１３０１を挟んで下面ヒートスプレッダ１０４０上に置かれた中間品が準備される。また、当該中間品がリフロー炉により加熱される。これにより、第１の下面はんだシート１３００及び第２の下面はんだシート１３０１が、それぞれ第１の下面はんだ層１０２３及び第２の下面はんだ層１０２４に変化し、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が下面ヒートスプレッダ１０４０にはんだ接合される。
　工程Ｓ１０３においては、図８に図示されるように、ボンディングワイヤ１０２９の一端が第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２にボンディングされ、ボンディングワイヤ１０２９の他端が信号端子１０４１にボンディングされる。これにより、第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２は、ボンディングワイヤ１０２９を介して、信号端子１０４１に電気的に接続される。
　工程Ｓ１０４においては、上面ヒートスプレッダ１０２５が段差部１１６１の段差面１１８０上に置かれた中間品が準備される。その際には、図９に図示されるように、上面ヒートスプレッダ１０２５が、それぞれ第１の上面はんだシート１３０３、第２の上面はんだシート１３０４及び第３の上面はんだシート１３０５を挟んで第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３上に配置される。また、当該中間品がリフロー炉により加熱される。これにより、第１の上面はんだシート１３０３、第２の上面はんだシート１３０４及び第３の上面はんだシート１３０５が、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８に変化し、第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３が上面ヒートスプレッダ１０２５にはんだ接合される。
　工程Ｓ１０２及びＳ１０４により、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が互いに反対の方向に向くように、下面ヒートスプレッダ１０４０と上面ヒートスプレッダ１０２５とで第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が挟まれ、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２を挟んで互いに対向する。
　工程Ｓ１０５においては、図１０に図示されるように、ダイレクトポッティング樹脂１３２０が６０℃に加熱された状態で間隙１１４０に流し込まれ、流し込まれたダイレクトポッティング樹脂１３２０に対して真空脱泡及び加熱が行われる。加熱は、１．５時間に渡って１００℃を維持した後に１．５時間に渡って１４０℃を維持する加熱プロファイルにしたがって行われる。これにより、流し込まれたダイレクトポッティング樹脂１３２０が硬化し封止樹脂部１０３０に変化し、図１から図５までに図示されるパワーモジュール１０００が完成する。
　完成したパワーモジュール１０００は、工程Ｓ１０４において上面ヒートスプレッダ１０２５が段差部１１６１の段差面１１８０上に置かれることにより、枠部材１０４４の高さ５．２ｍｍより厚い総厚６．６ｍｍを有する。これにより、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が枠部材１０４４から突出し、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１を冷却器に確実に接触させることができる。
　１．１７　実施の形態１の効果
　実施の形態１によれば、下面ヒートスプレッダ１０４０が枠部材１０４４に埋設され、封止樹脂部１０３０が枠部材１０４４と上面ヒートスプレッダ１０２５との間隙を充填する。このため、パワーモジュール１０００の製造の途上において下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１に樹脂が付着することを抑制することができる。これにより、下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１に付着した樹脂を除去し下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１及び上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１を露出させる研磨工程が不要になり、パワーモジュール１０００の生産性及び信頼性を向上することができる。
　また、実施の形態１によれば、上面ヒートスプレッダ１０２５を位置決めするための、段差部１１６１の段差面１１８０が枠状部１１６０の内側にある。このため、段差部１１６１の段差面１１８０が封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材の漏れ出しの原因とならず、液体封止材の漏れ出しを抑制することができる。
　１．１８　変形例
　パワーモジュール１０００は、１個の第１の半導体素子１０２１及び１個の第２の半導体素子１０２２からなる合計２個の半導体素子が実装された半導体装置である。合計１個の半導体素子が実装された半導体装置であるディスクリート部品、又は合計３個以上の半導体素子が実装された半導体装置であるパワーモジュールにおいて上述した技術が採用されてもよい。３個以上の半導体素子が実装されたパワーモジュールにおいて上述した技術が採用される場合は、ＩＧＢＴからなるスイッチング素子、及びダイオードからなる還流ダイオードの対が２対以上内蔵されたモジュール構成をパワーモジュールが有してもよい。例えば、パワーモジュールが、当該対が２対内蔵された２ｉｎ１のモジュール構成を有してもよく、当該対が６対内蔵された６ｉｎ１のモジュール構成を有してもよい。
　１．１９　上面ヒートスプレッダの形状の別例
　図１１は、実施の形態１の第１の別例のパワーモジュールの断面を模式的に図示する断面図である。図１２は、実施の形態１の第２の別例のパワーモジュールの断面を模式的に図示する断面図である。図１１及び図１２は、図１に描かれた切断線Ａ－Ａの位置における断面を図示する。
　図１１に図示される実施の形態１の第１の別例のパワーモジュール１０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２が、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１の縁から上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０の縁まで延びる。下面１１２０が占める面積は、上面１１２１が占める面積より小さい。端面１１２２は、上面１１２１の縁から第１の方向Ｄ１に離れるにつれて連続的に内側方向に移動する斜め面である。
　図１２に図示される実施の形態１の第２の別例のパワーモジュール１０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２が、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１の縁から上面ヒートスプレッダ１０２５の下面１１２０の縁まで延びる。下面１１２０が占める面積は、上面１１２１が占める面積より小さい。上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２は、上面１１２１の縁から第１の方向Ｄ１に離れるにつれて不連続的に内側方向に移動する段差形成面である。
　上面ヒートスプレッダ１０２５の端面１１２２が上述した斜め面又は段差形成面である場合は、封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材が上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１上に這い上がることを抑制することができる。
　２　実施の形態２
　２．１　実施の形態１と実施の形態２との主な相違点
　図１３は、実施の形態２のパワーモジュールから第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解上面図である。図１４は、実施の形態２のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図１４は、図１３に描かれる切断線Ｃ－Ｃの位置における断面を図示する。
　図１３及び図１４に図示される実施の形態２のパワーモジュール２０００は、主に下記の相違点で図１から図５までに図示される実施の形態１のパワーモジュール１０００と相違する。
　実施の形態１のパワーモジュール１０００は、１個の第１の半導体素子１０２１及び１個の第２の半導体素子１０２２からなる合計２個の半導体素子が実装された半導体装置である。これに対して、実施の形態２のパワーモジュール２０００は、２個の第１の半導体素子１０２１及び２個の第２の半導体素子１０２２からなる合計４個の半導体素子が実装された半導体装置である。
　また、実施の形態１のパワーモジュール１０００においては、下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５が、それぞれ両面冷却構造を構成する第１の放熱部材及び第２の放熱部材となる。これに対して、実施の形態２のパワーモジュール２０００においては、下面絶縁回路基板２０４０及び上面絶縁回路基板２０２５が、それぞれ両面冷却構造を構成する第１の放熱部材及び第２の放熱部材となる。
　以下では、上記の相違点に関連して実施の形態２のパワーモジュール２０００において採用される構成が説明される。説明されない構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０００において採用された構成が実施の形態２のパワーモジュール２０００においても採用される。
　２．２　絶縁回路基板の構造
　下面絶縁回路基板２０４０は、図１４に図示されるように、ベース２４００、絶縁層２４０１及び導体層２４０２を備える。下面絶縁回路基板２０４０は、ベース２４００上に絶縁層２４０１及び導体層２４０２が積層された積層構造を有する。絶縁層２４０１は、ベース２４００と導体層２４０２との間にあり、ベース２４００を導体層２４０２から電気的に絶縁する。
　上面絶縁回路基板２０２５は、図１４に図示されるように、ベース２４２０、絶縁層２４２１及び導体層２４２２を備える。上面絶縁回路基板２０２５は、ベース２４２０上に絶縁層２４２１及び導体層２４２２が積層された構造を有する。絶縁層２４２１は、ベース２４２０と導体層２４２２との間にあり、ベース２４２０を導体層２４２２から電気的に絶縁する。導体層２４２２は、図１３に図示されるように、パワーモジュール２０００を２ｉｎ１のモジュール構成を有するパワーモジュールにするために必要な回路配線を形成するパターンを有する。
　実施の形態１のパワーモジュール１０００に備えられる下面ヒートスプレッダ１０４０及び上面ヒートスプレッダ１０２５の両方又は片方が下面絶縁回路基板２０４０及び上面絶縁回路基板２０２５の積層構造と同様の積層構造を有する絶縁回路基板に置き換えられてもよい。
　２．３　インサートモールドフレーム
　下面絶縁回路基板２０４０は、実施の形態１のパワーモジュール１０００に備えられる下面ヒートスプレッダ１０４０と同様に、図１３及び図１４に図示されるように、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３とともに枠部材１０４４に埋設され、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２、第２の外部端子１０４３及び枠部材１０４４とともにインサートモールドフレーム１０２０を構成する。
　２．４　半導体素子、絶縁回路基板及び外部端子の接合
　第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０は、図１４に図示されるように、それぞれ第１の下面はんだ層１０２３及び第２の下面はんだ層１０２４を介して、下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２の上面２４４０にはんだ接合される。これにより、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、下面絶縁回路基板２０４０にダイボンドされ、下面絶縁回路基板２０４０に機械的及び熱的に結合され、導体層２４０２に電気的に接続される。
　第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１及び第２の半導体素子１０２２の表面電極１０８１は、図１４に図示されるように、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６及び第２の上面はんだ層１０２７を介して、上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２の下面２４６０にはんだ接合される。これにより、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が、上面絶縁回路基板２０２５にダイボンドされ、上面絶縁回路基板２０２５に機械的及び熱的に結合され、導体層２４２２に電気的に接続される。
　第１の外部端子１０４２は、下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２に接合される。これにより、第１の外部端子１０４２が導体層２４０２に電気的に接続される。また、第１の外部端子１０４２が、下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２を介して、第１の半導体素子１０２１の裏面電極１０６０及び第２の半導体素子１０２２の裏面電極１０８０に電気的に接続される。
　第２の外部端子１０４３は、図１４に図示されるように、第３の上面はんだ層１０２８を介して、上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２の下面２４６０にはんだ接合される。これにより、第２の外部端子１０４３が、上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２に電気的に接続される。また、第２の外部端子１０４３が、上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２を介して、第１の半導体素子１０２１の表面電極１０６１及び第２の半導体素子１０２２の表面電極１０８１に電気的に接続される。
　２．５　放熱経路
　下面絶縁回路基板２０４０と上面絶縁回路基板２０２５との間には、図１３及び図１４に図示されるように、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が挟まれる。第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が発した熱は、下面絶縁回路基板２０４０及び上面絶縁回路基板２０２５を通過し、下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００から放たれる。また、ベース２４２０の下面２４８０は、第１の方向Ｄ１を向き、ベース２４００の上面２５００は、第１の方向Ｄ１とは反対の第２の方向Ｄ２を向く。これにより、ベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００が放熱面となり、下面絶縁回路基板２０４０及び上面絶縁回路基板２０２５が、それぞれ両面冷却構造を構成する第１の放熱部材及び第２の放熱部材となる。
　２．６　上面絶縁回路基板の位置決め
　上面絶縁回路基板２０２５は、実施の形態１のパワーモジュール１０００に備えられる上面ヒートスプレッダ１０２５と同様に、図１３に図示される段差部１１６１の段差面１１８０に当たり、段差部１１６１の段差面１１８０により位置決めされる。
　２．７　絶縁回路基板の材質
　下面絶縁回路基板２０４０のベース２４００及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４２０は、Ｃｕからなる。当該Ｃｕが高い放熱性を有する他の種類の金属又は合金に置き換えられてもよい。例えば、当該ＣｕがＡｌに置き換えられてもよい。
　下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２及び上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２は、Ｃｕからなる。当該Ｃｕが、高い放熱性、高い導電性及び高いはんだ濡れ性を有する他の種類の導体に置き換えられてもよい。例えば、当該ＣｕがＮｉ又はＮｉを主成分とする合金に置き換えられてもよい。
　１種類の導体からなる下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２及び上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２が、２種類以上の導体からなる導体層に置き換えられてもよい。例えば、導体層２４０２及び２４２２が、高い放熱性及び高い導電性を有する導体からなる母材、並びに高いはんだ濡れ性を有する導体からなる最表面層からなる導体層に置き換えられてもよい。母材は、望ましくはＣｕ、Ａｌ若しくはＮｉ、又はＣｕ、Ａｌ若しくはＮｉを主成分として含む合金からなる。母材は、高いはんだ濡れ性を有する金属又は合金により構成される必要はなく、Ａｌ等の高いはんだ濡れ性を有しない金属又は合金により構成されてもよい。最表面層は、望ましくはＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ若しくはＡｇ、又はＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ若しくはＡｇを主成分として含む合金からなる。
　下面絶縁回路基板２０４０の絶縁層２４０１及び上面絶縁回路基板２０２５の絶縁層２４２１は、エポキシ樹脂層である。エポキシ樹脂層は、樹脂組成物の硬化物からなる。樹脂組成物は、エポキシ樹脂、及びＢＮ（窒化ホウ素）フィラー、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）フィラー等のフィラーを含む。フィラーは、エポキシ樹脂に分散させられている。当該エポキシ樹脂層が、高い絶縁性及び高い放熱層を有する他の種類の層に置き換えられてもよい。
　下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００は、樹脂に覆われることなく外部に露出する。これにより、ベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００を冷却器に密着させることができ、ベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００から効率的に熱を放つことができる。
　２．８　寸法の例
　下面絶縁回路基板２０４０は、例えば外形寸法３５ｍｍ×４８ｍｍ及び厚さ３ｍｍを有する。信号端子１０４１は、例えば厚さ０．４ｍｍを有する。第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３は、例えば厚さ０．８ｍｍを有する。枠部材１０４４は、例えば外形寸法４８ｍｍ×５６ｍｍ及び高さ６．２ｍｍを有する。第１の半導体素子１０２１がＩＧＢＴである場合は、当該ＩＧＢＴは、例えば外形寸法１６ｍｍ×１６ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有する。第２の半導体素子１０２２がダイオードである場合は、当該ダイオードは、例えば外形寸法１６ｍｍ×１６ｍｍ及び厚さ０．３ｍｍを有する。上面絶縁回路基板２０２５は、外形寸法３０ｍｍ×４４ｍｍ及び厚さ３ｍｍを有する。段差部１１６１の段差面１１８０は、例え底面からの高さ３．６ｍｍを有する。
　２．９　パワーモジュールの製造方法
　図１５は、実施の形態２のパワーモジュールの製造の流れを示すフローチャートである。
　パワーモジュール２０００の製造においては、図１５に示される工程Ｓ２０１からＳ２０５までが順次に実行される。
　工程Ｓ２０１においては、インサートモールドフレーム１０２０がインサート成形により成形される。第１の外部端子１０４２は、この段階で下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２に既に接合されている。
　工程Ｓ２０２においては、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２がそれぞれ第１の下面はんだシート及び第２の下面はんだシートを挟んで下面絶縁回路基板２０４０の導体層２４０２の上面２４４０上に置かれた中間品が準備される。また、当該中間品がリフロー炉により加熱される。これにより、第１の下面はんだシート及び第２の下面はんだシートが、それぞれ第１の下面はんだ層１０２３及び第２の下面はんだ層１０２４に変化し、第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が導体層２４０２にはんだ接合される。
　工程Ｓ２０３においては、ボンディングワイヤ１０２９の一端が第１の半導体素子１０２１の信号電極１０６２にボンディングされ、ボンディングワイヤ１０２９の他端が信号端子１０４１にボンディングされる。これにより、信号電極１０６２は、ボンディングワイヤ１０２９を介して、信号端子１０４１に電気的に接続される。
　工程Ｓ２０４においては、上面絶縁回路基板２０２５が段差部１１６１の段差面１１８０上に置かれた中間品が準備される。その際には、上面絶縁回路基板２０２５がそれぞれ第１の上面はんだシート、第２の上面はんだシート及び第３の上面はんだシートを挟んで第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３上に配置される。また、当該中間品がリフロー炉により加熱される。これにより、第１の上面はんだシート、第２の上面はんだシート及び第３の上面はんだシートが、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８に変化し、第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３が上面絶縁回路基板２０２５の導体層２４２２にはんだ接合される。
　工程Ｓ２０２及びＳ２０４により、下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００が互いに反対の方向を向くように、下面絶縁回路基板２０４０と上面絶縁回路基板２０２５とで第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２が挟まれる。
　工程Ｓ２０５においては、ダイレクトポッティング樹脂が６０℃に加熱された状態で間隙１１４０に流し込まれ、流し込まれたダイレクトポッティング樹脂に対して真空脱泡及び加熱が行われる。加熱は、１．５時間に渡って１００℃を維持した後に１．５時間に渡って１４０℃を維持する加熱プロファイルにしたがって行われる。これにより、流し込まれたダイレクトポッティング樹脂が硬化し封止樹脂部１０３０に変化し、図１３及び図１４に図示されるパワーモジュール２０００が完成する。
　完成したパワーモジュール２０００は、工程Ｓ２０４において上面絶縁回路基板２０２５が段差部１１６１の段差面１１８０上に置かれることにより、枠部材１０４４の高さ５．２ｍｍより厚い総厚６．６ｍｍを有する。これにより、上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００が枠部材１０４４から突出し、下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００を冷却器に確実に接触させることができる。
　２．１０　実施の形態２の効果
　実施の形態２によれば、下面絶縁回路基板２０４０が枠部材１０４４に埋設され、封止樹脂部１０３０が枠部材１０４４と上面絶縁回路基板２０２５との間隙を充填する。このため、パワーモジュール２０００の製造の途上において下面絶縁回路基板２０４０のベース２４２０の下面２４８０及び上面絶縁回路基板２０２５のベース２４００の上面２５００に樹脂が付着することを抑制することができる。これにより、ベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００に付着した樹脂を除去しベース２４２０の下面２４８０及びベース２４００の上面２５００を露出させる研磨工程が不要になり、パワーモジュール２０００の生産性及び信頼性を向上することができる。
　また、実施の形態２によれば、上面ヒートスプレッダ１０２５を位置決めするための段差部１１６１の段差面１１８０が枠状部１１６０の内側にある。このため、段差部１１６１の段差面１１８０が封止樹脂部１０３０の前駆体である液体封止材の漏れ出しの原因とならず、液体封止材の漏れ出しを抑制することができる。
　加えて、実施の形態２によれば、上面絶縁回路基板２０２５のベース２４２０及び下面絶縁回路基板２０４０のベース２４００が第１の半導体素子１０２１及び第２の半導体素子１０２２から電気的に絶縁される。このため、上面絶縁回路基板２０２５及び下面絶縁回路基板２０４０をはんだ等の高い熱伝導性を有する接合媒体を介して冷却器に接合することができる。また、２ｉｎ１、６ｉｎ１等のモジュール構成を有するパワーモジュールを容易に作製することができる。
　２．１１　上面絶縁回路基板の構造の別例
　図１６は、実施の形態２の別例のパワーモジュールから第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層、第４のはんだ層、第５のはんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する分解上面図である。図１７及び図１８は、実施の形態２の別例のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図１７及び図１８は、それぞれ図１６に描かれる切断線Ｄ－Ｄ及びＥ－Ｅの位置における断面を図示する。
　図１６、図１７及び図１８に図示される実施の形態２の別例のパワーモジュール２０００においては、上面絶縁回路基板２０２５が、信号回路２４２３を備える。信号電極１０６２は、第４の上面はんだ層２０３１を介して、信号回路２４２３の下面２４６１にはんだ接合される。これにより、信号電極１０６２は、信号回路２４２３に電気的に接続される。また、信号端子１０４１は、第５の上面はんだ層２０３２を介して、信号回路２４２３の下面２４６１にはんだ接合される。これにより、信号端子１０４１は、信号回路２４２３に電気的に接続され、信号回路２４２３を介して信号電極１０６２に電気的に接続される。絶縁層２４２１は、ベース２４２０と導体層２４２２及び信号回路２４２３との間にあり、ベース２４２０を導体層２４２２及び信号回路２４２３から電気的に絶縁する。これにより、信号電極１０６２を信号端子１０４１に電気的に接続するボンディングワイヤを省略することができる。
　段差部１１６１は、段差面１１８０に加えてテーパー面２１８２を有する。テーパー面２１８２は、段差面１１８０より第２の方向Ｄ２寄りにある。テーパー面２１８２は、間隙を挟む。間隙の幅は、第１の方向Ｄ１に進むにつれて第１の方向Ｄ１と垂直をなす方向の幅が狭くなる。これにより、上面絶縁回路基板２０２５は、段差面１１８０上に位置決めされる際に、テーパー面２１８２により第１の方向Ｄ１と垂直をなす方向の特定の位置に誘われ、当該特定の位置に位置決めされる。これにより、上面絶縁回路基板２０２５の位置決めの精度を向上することができる。これにより、第４の上面はんだ層２０３１を介して信号電極１０６２に電気的に接続される信号回路２４２３を備える場合に要求される、第１の半導体素子１０２１に対する上面絶縁回路基板２０２５の高い位置決めの精度を満足することができる。
　３　実施の形態３
　３．１　実施の形態１と実施の形態３との主な相違点
　図１９は、実施の形態３のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。図２０は、実施の形態３のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図２０は、図１９に描かれる切断線Ｆ－Ｆの位置における断面を図示する。
　図１９及び図２０に図示される実施の形態３のパワーモジュール３０００は、主に下記の相違点で図１から図５までに図示される実施の形態１のパワーモジュール１０００と相違する。
　実施の形態１のパワーモジュール１０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５が、開口部を有しない。これに対して、実施の形態３のパワーモジュール３０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５が、第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２を有する。
　以下では、上記の相違点に関連して実施の形態３のパワーモジュール３０００において採用される構成が説明される。説明されない構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０００において採用された構成が実施の形態３のパワーモジュール３０００においても採用される。
　３．２　上面ヒートスプレッダの接合部及び開口部
　上面ヒートスプレッダ１０２５は、図２０に図示されるように、第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２を備える。第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２は、それぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８を介して接合先である第１の半導体素子１０２１、第２の半導体素子１０２２及び第２の外部端子１０４３にはんだ接合される。
　上面ヒートスプレッダ１０２５は、第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２をそれぞれ第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２に有する。第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２は、第２の方向Ｄ２に上面ヒートスプレッダ１０２５を貫通する。
　パワーモジュール３０００は、パワーモジュール１０００と同様に製造することができる。したがって、パワーモジュール３０００が製造される際には、第１の上面はんだシート１３０３、第２の上面はんだシート１３０４及び第３の上面はんだシート１３０５をそれぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８に変化させることにより、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８を形成することができる。ただし、パワーモジュール３０００が製造される際には、はんだの溶融物を第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２を経由して注入し、第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２を経由して注入したはんだの溶融物をそれぞれ第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８に変化させることにより、第１の上面はんだ層１０２６、第２の上面はんだ層１０２７及び第３の上面はんだ層１０２８を形成することもできる。はんだの溶融物に代えてＡｇ焼結材の前駆体であるＡｇナノ粒子を含むペーストが注入されてもよい。パワーモジュール３０００の製造の途上で第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２の全部又は一部にダイレクトポッティング樹脂１３２０が流れ込んでもよい。
　３．３　実施の形態３の効果
　実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、パワーモジュール３０００の生産性及び信頼性を向上することができる。また、液体封止材の漏れ出しを抑制することができる。
　加えて、実施の形態３によれば、第１の開口部３５２０、第２の開口部３５２１及び第３の開口部３５２２をそれぞれ第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２から余剰のはんだを逃がすことに用いることができ、第１の接合部３５００、第２の接合部３５０１及び第３の接合部３５０２が形成されているか否かの検査に用いることができる。
　４　実施の形態４
　図２１は、実施の形態４のパワーモジュールを模式的に図示する上面図である。図２２は、実施の形態４のパワーモジュールから上面ヒートスプレッダ、第１の上面はんだ層、第２の上面はんだ層、第３の上面はんだ層及び封止樹脂部を除去したものを模式的に図示する上面図である。図２３、図２４及び図２５は、実施の形態４のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図２３、図２４及び図２５は、それぞれ図２１に描かれる切断線Ｇ－Ｇ、Ｈ－Ｈ及びＩ－Ｉの位置における断面を図示する。
　図２１から図２５までに図示される実施の形態４のパワーモジュール４０００は、主に下記の相違点で図１から図５までに図示される実施の形態１のパワーモジュール１０００と相違する。
　実施の形態１のパワーモジュール１０００においては、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３が、枠部材１０４４から同じ方向に突出する。また、信号端子１０４１が、枠部材１０４４から、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３が突出する方向と反対の方向に突出する。これに対して、実施の形態４のパワーモジュール４０００においては、信号端子１０４１、第１の外部端子１０４２及び第２の外部端子１０４３が、枠部材１０４４から同じ方向に突出する。これにより、パワーモジュールを他の装置に組み込む際の組み込みの自由度が高くなる。
　説明されない構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０００において採用された構成が実施の形態４のパワーモジュール４０００においても採用される。実施の形態２のパワーモジュール２０００又は実施の形態３のパワーモジュール３０００において採用された構成が実施の形態４のパワーモジュール４０００においても採用されてもよい。
　５　実施の形態５
　図２６は、実施の形態５のパワーモジュールを模式的に図示する断面図である。図２７は、実施の形態５のパワーモジュールが冷却用の放熱部材に挿入された状態を模式的に図示する断面図である。
　図２６に図示される実施の形態５のパワーモジュール５０００は、主に下記の相違点で図１から図５までに図示される実施の形態１のパワーモジュール１０００と相違する。
　実施の形態１のパワーモジュール１０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１と平行をなす位置に上面ヒートスプレッダ１０２５が位置決めされる。これに対して、実施の形態５のパワーモジュール５０００においては、上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１が下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１に対して傾斜する位置に上面ヒートスプレッダ１０２５が位置決めされる。上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１を下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１に対して傾斜させることは、段差部１１６１の段差面１１８０の複数の部分１１７１，１１７２，１１７３及び１１７４の高さを互いに異ならせることにより実現することができる。これにより、テーパー状の形状を有するパワーモジュール５０００が得られる。また、図２７に図示されるように、製法上の制約によりパワーモジュール５０００が挿入される挿入穴に抜き勾配がついている場合であっても、挿入穴に挿入されたパワーモジュール５０００に備えられる上面ヒートスプレッダ１０２５の上面１１２１、及び挿入穴に挿入されたパワーモジュール５０００に備えられる下面ヒートスプレッダ１０４０の下面１１０１を放熱部材５５００に十分に接触させることができ、放熱性を向上することができる。
　説明されない構成については、実施の形態１のパワーモジュール１０００において採用された構成が実施の形態５のパワーモジュール５０００においても採用される。実施の形態２のパワーモジュール２０００、実施の形態３のパワーモジュール３０００又は実施の形態４のパワーモジュール４０００において採用された構成が実施の形態５のパワーモジュール５０００において採用されてもよい。
　６　実施の形態６
　本実施の形態は、上述した実施の形態１－５にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。実施の形態１－５にかかる半導体装置の適用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６として、三相のインバータに実施の形態１－５にかかる半導体装置を適用した場合について説明する。
　図２８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２８に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００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１００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１００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１００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１００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２８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１００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や各還流ダイオードは、上述した実施の形態１－５のいずれかに相当する半導体モジュール２０２によって構成する。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、駆動回路は半導体モジュール２０２に内蔵されていてもよいし、半導体モジュール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のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１－５にかかる半導体モジュールを適用するため、生産性及び信頼性を向上することを実現することができる。
　本実施の形態では、２レベルの三相インバータにて実施の形態１－５にかかる半導体装置を適用する例を説明したが、実施の形態１－５にかかる半導体装置の適用は、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て実施の形態１－５にかかる半導体装置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コンバータにて実施の形態１－５にかかる半導体装置を適用することも可能である。
　また、実施の形態１－５にかかる半導体装置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ー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器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。
　なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
　１０００，２０００，３０００，４０００，５０００　パワーモジュール、１０２０　インサートモールドフレーム、１０４０　下面ヒートスプレッダ、１０４１　信号端子、１０４２　第１の外部端子、１０４３　第２の外部端子、１０４４　枠部材、１１６０　枠状部、１１６１　段差部、１０２１　第１の半導体素子、１０２２　第２の半導体素子、１０２５　上面ヒートスプレッダ、１０３０　封止樹脂部、１０６０　表面電極、１０６１　裏面電極、１０６２　信号電極、１１７１，１１７２，１１７３，１１７４　複数の部分、２０４０　下面絶縁回路基板、２４００，２４２０　ベース、２４０１，２４２１　絶縁層、２４０２，２４２２　導体層、２４２３　信号回路、２０２５　上面絶縁回路基板、３５００　第１の接合部、３５０１　第２の接合部、３５０２　第３の接合部、３５２０　第１の開口部、３５２１　第２の開口部、３５２２　第３の開口部、１００　電源、２００　電力変換装置、２０１　主変換回路、２０２　半導体モジュール、２０３　制御回路、３００　負荷。

Claims (20)

  1. 　外部に露出し第１の方向を向く第１の放熱面を有する第１の放熱部材と、
    　前記第１の放熱部材が埋設されており、枠状部と前記枠状部の内側にある位置決め部とを備える枠部材と、
    　外部に露出し前記第１の方向とは反対の第２の方向を向く第２の放熱面を有し、前記位置決め部に当たり、前記位置決め部により位置決めされる第２の放熱部材と、
    　前記第１の放熱部材と前記第２の放熱部材とに挟まれる半導体素子と、
    　前記枠部材と前記第２の放熱部材との間隙を充填し、前記半導体素子を封止する封止樹脂部と、
    を備える半導体装置。
  2. 　前記位置決め部は、前記第２の放熱面が前記枠部材から前記第２の方向にはみ出す位置に前記第２の放熱部材を位置決めする
    請求項１の半導体装置。
  3. 　前記位置決め部は、前記第２の放熱面が前記第１の放熱面に対して傾斜する位置に前記第２の放熱部材を位置決めする
    請求項１又は２の半導体装置。
  4. 　前記枠状部は、最も前記第２の方向寄りにある端部を有し、
    　前記枠部材は、前記枠状部の内側にあり前記位置決め部を有し前記端部との間に段差を有する段差部を備える
    請求項１から３までのいずれかの半導体装置。
  5. 　前記段差部は、半円柱状の形状を有する
    請求項４の半導体装置。
  6. 　前記第２の放熱部材は、前記第１の方向を向く面を有し、
    　前記位置決め部は、互いに離れ前記第１の方向を向く面に接触し同一平面を構成する複数の部分を備える
    請求項１から５までのいずれかの半導体装置。
  7. 　前記第２の放熱部材は、前記第２の放熱面の縁から延び前記縁から前記第１の方向に離れるにつれて内側方向に移動する端面を有する
    請求項１から６までのいずれかの半導体装置。
  8. 　前記第２の放熱部材は、前記第１の方向を向く面を有し、
    　前記枠部材は、前記第１の方向に進むにつれて前記第１の方向と垂直をなす方向の幅が狭くなる間隙を挟み前記位置決め部から連続し前記位置決め部より前記第２の方向寄りにあるテーパー面を有する
    請求項１から７までのいずれかの半導体装置。
  9. 　前記第１の放熱部材及び前記枠部材は、無蓋箱状の形状を形成し、
    　前記封止樹脂部は、前記無蓋箱状の形状により定義される箱内空間に収まる
    請求項１から８までのいずれかの半導体装置。
  10. 　前記第１の放熱部材及び前記枠部材は、無蓋箱状の形状を形成し、
    　前記第２の放熱部材は、前記無蓋箱状の形状により定義される箱内空間の入口開口の平面形状より小さい平面形状を有する
    請求項１から９までのいずれかの半導体装置。
  11. 　前記第２の放熱部材は、前記第２の放熱面の縁から延びる端面を有し、
    　前記端面の全体は、前記枠状部から離れている
    請求項１０の半導体装置。
  12. 　前記第１の放熱部材及び前記第２の放熱部材の少なくとも一方は、金属又は合金からなり放熱面を有するヒートスプレッダを備える
    請求項１から１１までのいずれかの半導体装置。
  13. 　前記第１の放熱部材及び前記第２の放熱部材の少なくとも一方は、金属又は合金からなり放熱面を有するベースと、前記半導体素子に電気的に接続される導体層と、前記ベースを前記導体層から電気的に絶縁する絶縁層と、を備える絶縁回路基板を備える
    請求項１から１２までのいずれかの半導体装置。
  14. 　前記半導体素子は、第１の主電極と、第２の主電極と、前記第１の主電極と前記第２の主電極との間の導通状態を制御するための信号電極と、を備え、
    　前記絶縁回路基板は、前記信号電極に電気的に接続される信号回路をさらに備え、
    　前記絶縁層は、前記ベースを前記信号回路から電気的に絶縁する
    請求項１３の半導体装置。
  15. 　前記第２の放熱部材は、接合先に接合される接合部を備え、前記第２の方向に前記第２の放熱部材を貫通する開口部を前記接合部に有する
    請求項１から１４までのいずれかの半導体装置。
  16. 　前記接合先は、前記半導体素子を備える
    請求項１５の半導体装置。
  17. 　前記半導体素子に電気的に接続され前記枠部材に埋設されている外部端子をさらに備え、
    　前記接合先は、前記外部端子を備える
    請求項１５又は１６の半導体装置。
  18. 　前記半導体素子は、第１の主電極と、第２の主電極と、前記第１の主電極と前記第２の主電極との間の導通状態を制御するための信号電極と、を備え、
    　前記第１の主電極に電気的に接続され前記枠部材に埋設され前記枠部材から突出する第１の外部端子と、前記第２の主電極に電気的に接続され前記枠部材に埋設され前記枠部材から前記第１の外部端子が突出する方向と同じ方向に突出する第２の外部端子と、前記信号電極に電気的に接続され前記枠部材に埋設され前記枠部材から前記第１の外部端子が突出する方向と同じ方向に突出する信号端子と、をさらに備える
    請求項１から１７までのいずれかの半導体装置。
  19. 　請求項１から１８までのいずれか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、
    を備える電力変換装置。
  20. 　a) 第１の放熱面を有する第１の放熱部材が埋設されており、枠状部と前記枠状部の内側にある位置決め部とを備える枠部材をインサート成形により成形する工程と、
    　b) 工程a)の後に、前記第１の放熱面及び第２の放熱部材の第２の放熱面が互いに反対の方向を向き前記第２の放熱部材が前記位置決め部に当たり前記第２の放熱部材が前記位置決め部により位置決めされるように前記第１の放熱部材と前記第２の放熱部材とで半導体素子を挟む工程と、
    　c) 工程b)の後に、前記枠部材と前記第２の放熱部材との間隙に封止樹脂からなる液体封止材を流し込み硬化させる工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
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