WO2021009857A1 - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

温度変化による劣化を軽減することができる半導体装置を提供する。半導体装置１は、電流が入力される電源側電極２１１と、電源側電極２１１に対して平行となる面に形成され、電流が出力される負荷側電極２１２と、を有する一つ以上の半導体素子２１と、半導体素子２１の電源側電極２１１、負荷側電極２１２のいずれか一方に固定され電気的に接続された第１の導電部２２と、半導体素子２１の電源側電極２１１、負荷側電極２１２の余の一方に固定され電気的に接続され、第１の導電部２２に平行に配置された第２の導電部２３と、第１の導電部２２、第２の導電部２３の少なくとも一方に、緩衝部６を介して固定された冷却部４と、を有する。

Description

半導体装置

　本実施形態は、電力制御用の半導体装置に関する。

　電力系統における送電システムには、大電力用の電力変換器が使用される。これらの電力変換器は、交流を直流に、直流を交流にする電圧の変換を行う。または、これらの電力変換器は、直流の電圧を昇圧、降圧する変換を行う。これらの電圧の変換は、電力変換器内に設けられた半導体装置により、供給された電力がスイッチングされることにより行われる。

　上記のような半導体装置は、ＩＧＢＴ等のいわゆるパワー素子と呼ばれるスイッチング用の半導体素子が回路基板に配置され構成される。

特開平０８－３３０３３８号公報 特開２００６－０１３０８０号公報

　電力変換に使用される半導体装置は、スイッチングにより１０００Ｖを超える高電圧の開閉を行う。また、半導体装置は、スイッチングにより１０００Ａを超える大電流の開閉を行う。大電流の開閉を行うため、半導体装置には、電気的に並列に接続された複数のＩＧＢＴ等の半導体素子が設けられる。

　一つの半導体装置に、複数の半導体素子が搭載されている。半導体素子は、大電流の開閉を行うため、発熱し、高温となる。負荷により半導体素子から出力される電流は変動し、半導体装置の温度は変化する。温度の変化により、半導体装置を構成する各部は、熱膨張または熱収縮する。半導体装置の各部を構成する材料は、異なる線膨張係数を有し、各部ごとに温度により膨張または収縮する度合いが異なる。このため、各部が接合された接合部分において、剥離や歪などの劣化が発生しやすいとの問題点があった。

　半導体装置を構成する接合部分において、劣化が発生した場合、半導体装置内部の電流の流路の抵抗値が上昇する、電流が遮断される等の不具合が発生する可能性がある。半導体装置は電力供給に用いられる。このため、上記のような半導体装置内部の抵抗値が上昇する、電流が遮断される等の不具合が発生した場合、安定した電力供給が妨げられることとなり、望ましくない。

　本実施形態は、温度変化による劣化を軽減することができる半導体装置を提供することを目的とする。

　本実施形態の半導体装置は次のような構成を有することを特徴とする。
（１）電流が入力される電源側電極と、前記電源側電極に対して平行となる面に形成され、電流が出力される負荷側電極と、を有する一つ以上の半導体素子。
（２）前記半導体素子の前記電源側電極、前記負荷側電極のいずれか一方に固定され電気的に接続された第１の導電部。
（３）前記半導体素子の前記電源側電極、前記負荷側電極の余の一方に固定され電気的に接続され、前記第１の導電部に平行に配置された第２の導電部。
（４）前記第１の導電部、前記第２の導電部の少なくとも一方に、緩衝部を介して固定された冷却部。

第１実施形態にかかる半導体装置の正面断面図 第１実施形態にかかる半導体装置の半導体モジュールの斜視図 第１実施形態にかかる半導体装置の半導体モジュールの上面図 第１実施形態にかかる半導体装置の半導体モジュールの拡大図 第１実施形態にかかる半導体装置の半導体素子を説明する図 第１実施形態にかかる半導体装置の内部回路を示す図 第１実施形態にかかる半導体装置の防護壁部の斜視図 第１実施形態にかかる半導体装置の変形を説明する図 第１実施形態にかかる半導体装置の歪率と寿命の関係を説明する図 半導体装置の比較例を示す図 第２実施形態にかかる半導体装置の正面断面図 第２実施形態にかかる半導体装置の半導体モジュールの拡大図 第２実施形態にかかる半導体装置の防護壁部の斜視図 第３実施形態にかかる半導体装置の半導体モジュールの正面断面図 第４実施形態にかかる半導体装置の半導体モジュールの正面断面図

［第１実施形態］
［１－１．構成］
　以下では、図１～図７を参照しつつ、本実施形態の半導体装置１の構成を説明する。

　本実施形態において、同一構成の装置や部材が複数ある場合にはそれらについて同一の番号を付して説明を行い、また、同一構成の個々の装置や部材についてそれぞれを説明する場合に、共通する番号にアルファベット（小文字）の添え字を付けることで区別する。

　各図においてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部の説明を行う。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交する。

　半導体装置１は、複数の半導体モジュール２、冷却部４、およびケース５を有する。導電部２２が請求項における第１の導電部に、導電部２３が請求項における第２の導電部に相当する。

（半導体モジュール２）
　半導体モジュール２は、電流を導通非導通する制御を行うモジュールである。半導体モジュール２は、半導体素子２１（２１ａ、２１ｂ）、導電部２２、導電部２３、防護部３、緩衝部６を有する。複数の半導体モジュール２が、冷却部４に固定されケース５により周囲を覆われる。図１および図６に示すように、任意の数の半導体モジュール２が、冷却部４とバスバー７２の間に、電気的に並列に接続される。

（半導体素子２１）
　半導体素子２１（２１ａ、２１ｂ）は、いわゆるパワー素子と呼ばれるスイッチング用の半導体素子である。一例として半導体素子２１は、図５に示すＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により構成される。半導体素子２１は、電源側電極２１１、負荷側電極２１２、制御電極２１３を有する。半導体素子２１は、シリコン等により形成された半導体層に電源側電極２１１、負荷側電極２１２、制御電極２１３が配置される。

　半導体素子２１は、略直方体状に形成される。半導体素子２１は、電源側電極２１１、負荷側電極２１２が形成されたＸＹ平面に平行となる面の縦方向および横方向の長さが、電源側電極２１１、負荷側電極２１２が形成された面を結ぶ、Ｚ軸方向の長さより長い直方体状に形成される。

　電源側電極２１１は、ＩＧＢＴである半導体素子２１のコレクタである。負荷側電極２１２は、ＩＧＢＴである半導体素子２１のエミッタである。制御電極２１３は、ＩＧＢＴである半導体素子２１のゲートである。半導体素子２１ａ、２１ｂは、同一の構成を有する。半導体素子２１ａ、２１ｂは、Ｚ軸正方向から見て、後述する制御電極２１３が、負荷側電極２１２に対し、左右対象となる位置に配置される。制御電極２１３に入力された制御信号により、電源側電極２１１、負荷側電極２１２間の電流が制御される。

　電源側電極２１１は、銅、アルミニウム等の導体金属により構成された、半導体素子２１の表面に配置された正極側の電極である。電源側電極２１１は、半導体素子２１のＺ軸負方向の面に形成される。電源側電極２１１は、半田等の接合材料により導電部２２に接合される。電源側電極２１１には、導電部２２を介し、電力供給源となる外部装置からの電流が入力される。

　負荷側電極２１２は、銅、アルミニウム等の導体金属により構成された、半導体素子２１の表面に配置された負極側の電極である。負荷側電極２１２は、電源側電極２１１に対して平行となる、半導体素子２１のＺ軸正方向の面に形成される。負荷側電極２１２は、半田等の接合材料により導電部２３に接合される。負荷側電極２１２は、導電部２３を介し、負荷となる外部装置への電流を出力する。

　制御電極２１３は、銅、アルミニウム等の導体金属により構成された、半導体素子２１の表面に配置された制御用の電極である。制御電極２１３は、負荷側電極２１２が形成された半導体素子２１の面に、負荷側電極２１２に隣接して配置される。制御電極２１３は、半田等の接合材料により制御端子７１に接合される。制御端子７１を介し制御電極２１３に入力された制御信号により、電源側電極２１１、負荷側電極２１２間の電流が制御される。半導体素子２１ａの制御電極２１３ａに接続された制御端子７１ａ、半導体素子２１ｂの制御電極２１３ｂに接続された制御端子７１ｂは、後述する開口部３１１、カバー部３２を挿通する。

　半導体素子２１ａおよび半導体素子２１ｂは、導電部２２の載置面に配置され固定される。半導体素子２１ａの電源側電極２１１ａ、半導体素子２１ｂの電源側電極２１１ｂが、半田等の接合材料により導電部２２に接合され電気的に接続される。半導体素子２１ａの電源側電極２１１ａと半導体素子２１ｂの電源側電極２１１ｂは、導電部２２を介し電気的に接続される。

　また半導体素子２１ａおよび半導体素子２１ｂは、導電部２３に固定される。半導体素子２１ａの負荷側電極２１２ａが導電部２３に設けられた突出部２４ａに、半導体素子２１ｂの負荷側電極２１２ｂが導電部２３に設けられた突出部２４ｂに、半田等の接合材料により接合され電気的に接続される。半導体素子２１ａの負荷側電極２１２ａと半導体素子２１ｂの負荷側電極２１２ｂは、導電部２３を介し電気的に接続される。

　半導体素子２１ａの制御電極２１３ａと半導体素子２１ｂの制御電極２１３ｂに、それぞれ制御端子７１ａ、７１ｂが接続される。制御端子７１ａ、７１ｂは外部の制御回路に接続される。半導体素子２１ａ、２１ｂは、導電部２２と導電部２３の間に配置される。上記により半導体素子２１ａと半導体素子２１ｂは、電気的に並列に接続される。

（導電部２２）
　導電部２２は、金属材料によりブロック状の直方体に成形された部材である。導電部２２は、銅を主成分として含む金属材料により構成される。導電部２２の、ＸＹ平面に平行となるＺ軸正方向の面に、半導体素子２１ａおよび半導体素子２１ｂがＸ軸方向に並んで固定される。半導体素子２１ａの電源側電極２１１ａ、半導体素子２１ｂの電源側電極２１１ｂは、半田等の接合材料により導電部２２に接合される。

　導電部２２のＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料６４により接合され緩衝部６に固定される。導電部２２は、半導体素子２１ａの電源側電極２１１ａおよび半導体素子２１ｂの電源側電極２１１ｂを緩衝部６に電気的に接続する。導電部２２は、緩衝部６、冷却部４を介し他の半導体モジュール２の導電部２２と電気的に接続される。

（導電部２３）
　導電部２３は、金属材料によりブロック状の直方体に成形された部材である。導電部２３は、銅またはアルミニウムを主成分として含む金属材料により構成される。導電部２３は、半導体素子２１ａ、２１ｂを介して、導電部２２のＺ軸正方向に配置される。導電部２３は、ＸＹ平面に平行となるＺ軸負方向の面に、Ｚ軸負方向に突出した突出部２４ａ、２４ｂを有する。突出部２４ａに半導体素子２１ａが、突出部２４ｂに半導体素子２１ｂが、それぞれ固定される。半導体素子２１ａの負荷側電極２１２ａ、半導体素子２１ｂの負荷側電極２１２ｂが、半田等の接合材料によりそれぞれ突出部２４ａ、突出部２４ｂに接合される。

　突出部２４ａおよび２４ｂは、それぞれ半導体素子２１ａの制御電極２１３ａ、半導体素子２１ｂの制御電極２１３ｂと相対する部分を避け、半導体素子２１方向に突出している。半導体素子２１ａの負荷側電極２１２ａと半導体素子２１ｂの負荷側電極２１２ｂは、導電部２３を介し電気的に接続される。突出部２４ａおよび２４ｂは、導電部２３と一体に形成されたものであってもよいし、個別の金属材料により構成され導電部２３に接合されたものであってもよい。

　導電部２３は、半田等の接合材料によりバスバー７２に固定される。バスバー７２は、銅やアルミニウム等の金属材料により構成される。バスバー７２は複数の半導体モジュール２の導電部２３を相互に電気的に接続する。バスバー７２は、半導体装置１の負荷側の電極を形成しており、バスバー７２の一端に設けられた端子（図中不示）が負荷となる外部装置に接続される。

（緩衝部６）
　緩衝部６は、複数の導電性の金属材料が積層されて形成された板状の部材である。緩衝部６のＺ軸正方向の面は、導電部２２のＺ軸負方向の面に固定される。緩衝部６は、半田等の接合材料６４により導電部２２に接合される。

　緩衝部６のＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料６５により冷却部４に接合される。緩衝部６は、導電部２２と冷却部４を電気的に接続する。半導体素子２１ａの電源側電極２１１ａおよび半導体素子２１ｂの電源側電極２１１ｂは、導電部２２、緩衝部６、冷却部４を介し他の半導体モジュール２の導電部２２と電気的に接続される。

　一例として緩衝部６は、Ｚ軸正方向の表層６１が銅を主成分とする金属、中層６２がアルミニウムを主成分とする金属、Ｚ軸負方向の表層６３が銅を主成分とする金属により構成された３層構造を有する。表層６１が導電部２２に、表層６３が冷却部４に接合される。Ｚ軸正方向の表層６１の厚さは、Ｚ軸負方向の表層６３の厚さ同等以上の厚さを有する。

　導電部２２と冷却部４は異なる金属材料により構成されている。緩衝部６は、温度により膨張または収縮する度合いが異なることに起因する、導電部２２と冷却部４の間に発生するストレスを分散する。緩衝部６は、導電部２２との接合部分、冷却部４との接合部分における、剥離や歪などによる劣化を軽減する。緩衝部６のＸ軸方向の長さＬ２は、後述する防護壁部３０の開口部３１２のＸ軸方向の長さＬ１より長く、緩衝部６のＹ軸方向の長さＷ２は、防護壁部３０の開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１より長い。緩衝部６の、後述する防護壁部３０の開口部３１２に相対する面は、開口部３１２を閉塞する面形状を有する。半導体素子２１が短絡故障したときに、緩衝部６は、防護壁部３０の開口部３１２を閉塞し、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。

（防護部３）
　防護部３は、半導体モジュール２の内部を防護する部材である。防護部３は、防護壁部３０、カバー部３２、内部樹脂３４により構成される。防護壁部３０は、ステンレス等の防爆部材により構成された部材である。防護壁部３０は、ステンレスと同等の強度を有するアルミニウムや銅等の金属材料またはカーボンやセラミック等の非金属材料により構成されるものであってもよい。防護壁部３０は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６の周囲を囲む。防護壁部３０の内部に内部樹脂３４が充填され、防護壁部３０は半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６に対し固定される。カバー部３２は、内部樹脂３４と同質の樹脂により構成され、防護壁部３０の外部を覆う。

　防護壁部３０は、図７に示すようにＸＹ平面に平行となるＺ軸正方向の１面を形成する面３１ｈ、ＺＸ平面に平行となる１面を形成する面３１ｌ、ＹＺ平面に平行となる２面を形成する面３１ｊ、面３１ｋ、およびＸＹ平面に平行となるＺ軸負方向の１面を形成する面３１ｍを有する。ＺＸ平面に平行となる１面であって、制御端子７１ａ、７１ｂ側の面は開放され、開口部３１１が形成される。開口部３１１は、半導体素子２１ａの制御電極２１３ａ、半導体素子２１ｂの制御電極２１３ｂにそれぞれ接続された制御端子７１ａ、７１ｂを挿通する。

　半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６の、半導体素子２１が載置される面と垂直となる３方の面、および導電部２３のＺ軸正方向の面が、防護壁部３０に覆われる。面３１ｍの一部は、開放され、開口部３１２が形成される。防護壁部３０は、半導体素子２１が短絡故障した時に半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。

　開口部３１２は、Ｘ軸方向にＬ１、Ｙ軸方向にＷ１の長さを有する長方形状に形成される。開口部３１２において緩衝部６が冷却部４に接合される。緩衝部６のＸ軸方向の長さＬ２は、開口部３１２のＸ軸方向の長さＬ１より長く、緩衝部６のＹ軸方向の長さＷ２は、開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１より長い。半導体素子２１が短絡故障したときに、緩衝部６は、防護壁部３０の開口部３１２を閉塞し、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。開口部３１２は、長方形状以外の形状、例えば、楕円状、六角形状に形成されていてもよい。

　カバー部３２は、防護壁部３０の外部を覆う部材である。カバー部３２は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂により構成され、真空形成等により防護壁部３０の周囲に構成される。カバー部３２は防護壁部３０の面３１ｈ、面３１ｊ、面３１ｋ、面３１ｌ、面３１ｍを外側から覆うとともに、開口部３１１を覆う。開口部３１２に相対する部分は、開放される。カバー部３２は、半導体モジュール２と外部の絶縁を確保する。

　内部樹脂３４は、防護壁部３０の内部に充填される部材である。内部樹脂３４は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂により構成され、真空形成等により防護壁部３０の内側であって、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６の周囲の空間に充填される。内部樹脂３４は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６を覆い保護するとともに、半導体素子２１と導電部２２との接合部、半導体素子２１と導電部２３との接合部、制御電極２１３と制御端子７１との接合部、および導電部２２と緩衝部６との接合部を覆い、保護する。また、内部樹脂３４は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６と、防護壁部３０の絶縁を確保する。

（冷却部４）
　冷却部４は、半導体モジュール２を冷却する部材である。冷却部４は、アルミニウム等の金属材料により構成される。複数の半導体モジュール２が、半田等の溶接材４４により冷却部４に固定される。複数の半導体モジュール２は、防護壁部３０により形成された開口部３１２において、緩衝部６のＺ軸負方向が冷却部４に接合され固定される。冷却部４は、内部に空隙４２を有し、空隙４２には複数の冷却フィン４１が配置される。空隙４２は外部の循環装置（図中不示）に接続され、例えば純水などの冷却液が空隙４２に循環される。これにより冷却部４により半導体モジュール２が冷却される。

　また、冷却部４は、複数の半導体モジュール２の電源側電極２１１を、導電部２２、緩衝部６を介し、相互に電気的に接続する。冷却部４は、半導体装置１の電源側の電極を形成しており、冷却部４の一端に設けられた端子（図中不示）が、電力供給源となる外部装置に接続される。

（ケース５）
　ケース５は、複数の半導体モジュール２を覆う部材である。ケース５は、側壁５１、天蓋５２を有する。ケース５を構成する、側壁５１、天蓋５２はエポキシやポリイミド等の絶縁性を有する樹脂材料により構成される。側壁５１は、冷却部４に溶接等により固定される。半導体モジュール２、冷却部４、側壁５１との間に、エポキシ等の樹脂３５が充填される。樹脂３５により半導体モジュール２は、冷却部４に固定される。

　樹脂３５によりケース５の側壁５１、冷却器４１および半導体モジュール２の間の空隙が封止される。樹脂３５は、半導体モジュール２の開口部３１２、緩衝部６、冷却部４との接合部分を保護する。側壁５１に天蓋５２が溶接等により固定され、外部装置との絶縁が確保される。

　内部樹脂３４と樹脂３５の線膨張係数は異なる。内部樹脂２４の線膨張係数は、樹脂３５の線膨張係数より、導電部２２の材料の線膨張係数に近く、樹脂３５の線膨張係数は、内部樹脂３４の線膨張係数より、冷却部４の材料の線膨張係数に近い。本実施形態では、内部樹脂３４の線膨張係数は銅の線膨張係数に近く、樹脂３５の線膨張係数はアルミニウムの線膨張係数に近い。内部樹脂３４と樹脂３５の線膨張係数は、エポキシ等の樹脂材料に含まれるシリカ等の材料の含有率により調整される。

　以上が、半導体装置１の構成である

［１－２．作用］
　次に、本実施形態の半導体装置１の作用を、図１～１０に基づき説明する。

　半導体素子２１の電源側電極２１１は、冷却部４の一端に設けられた端子（図中不示）に接続された電力供給源となる外部装置から、冷却部４、緩衝部６、導電部２２を介し、電流が入力される。半導体素子２１の負荷側電極２１２は、導電部２３、バスバー７２を介し、負荷となる外部装置に対し電流を出力する。半導体素子２１の制御電極２１３は、外部の制御装置から、制御端子７１を介し制御信号が入力される。制御電極２１３に入力された制御信号により、電源側電極２１１、負荷側電極２１２間の電流が、所望の電圧に変換される。

　半導体素子２１は、電源側電極２１１、負荷側電極２１２の間に流れる電流の開閉を行う。電源側電極２１１、負荷側電極２１２の間に流れる電流は、大電流であり、発熱し、高温となる。温度の変化により、半導体装置１を構成する各部は、熱膨張または熱収縮する。半導体装置１の各部を構成する材料は、異なる線膨張係数を有し、各部ごとに温度により膨張または収縮する度合いが異なる。このため、各部が接合された接合部分において、剥離や歪などの劣化が発生しやすい。

　最初に一例として図１０に示す、緩衝部６を有しない、従来技術にかかる半導体装置１について説明する。図１０に示す従来技術にかかる半導体装置１が、温度により熱膨張または熱収縮した場合、導電部２２と冷却部４を接合している接合材料６４に大きな歪が発生する。導電部２２は、銅を主成分として含む金属材料により構成され、冷却部４は、アルミニウムを主成分として含む金属材料により構成される。このため、導電部２２と冷却部４との線膨張係数が異なり、導電部２２と冷却部４を接合している接合材料６４に大きな力が加えられる。

　温度変化により接合材料６４の歪が大きくなった場合、半導体装置１内部の電流経路の抵抗値が上昇する、電流が遮断される等の不具合が発生する可能性があり、安定した電力供給が妨げられることとなり、望ましくない。

　本実施形態にかかる半導体装置１では、導電部２２は、緩衝部６を介し冷却部４に接合される。導電部２２は、接合材料６４により緩衝部６に接合されている。冷却部４は、接合材料６５により緩衝部６に接合されている。緩衝部６は、導電部２２に接合された表層６１が銅を主成分とする金属、中層６２がアルミニウムを主成分とする金属、冷却部４に接合された表層６３が銅を主成分とする金属により構成された３層構造を有する。

　表層６１、表層６３を形成する銅を主成分とする金属、中層６２を形成するアルミニウムを主成分とする金属は、異なる線膨張係数を有する。緩衝部６は、複数の線膨張係数が異なる表層６１、中層６２、表層６３が積層され形成されており、図８に示すように、導電部２２と、冷却部４との熱変形の差が、緩衝部６により吸収される。これにより、導電部２２と緩衝部６を接合する接合材料６４、冷却部４と緩衝部６を接合する接合材料６５における歪が緩和される。

　図９に、緩衝部６、内部樹脂３４、樹脂３５を有しない半導体装置、緩衝部６を有し内部樹脂３４、樹脂３５を有しない半導体装置、緩衝部６、内部樹脂３４、樹脂３５を有する半導体装置における、実験による歪率と寿命との関係を示す。図９に示すように、従来技術による緩衝部６、内部樹脂３４、樹脂３５を有しない半導体装置に比べ、緩衝部６を有し内部樹脂３４、樹脂３５を有しない半導体装置は、温度サイクル数に対する劣化を抑制することができる。

　さらに、本実施形態にかかる半導体装置１では、内部樹脂３４により導電部２２と緩衝部６との間の接合材料６４が封止される。樹脂３５により緩衝部６と冷却部４との間の接合材料６５が封止される。図９に示すように、従来技術による緩衝部６、内部樹脂３４、樹脂３５を有しない半導体装置に比べ、緩衝部、内部樹脂３４、樹脂３５を有する半導体装置は、温度サイクル数に対する劣化を、さらに抑制することができる。

　内部樹脂３４の線膨張係数は、樹脂３５の線膨張係数より、導電部２２の材料の線膨張係数に近いものとすることが望ましい。樹脂３５の線膨張係数は、内部樹脂３４の線膨張係数より、冷却部４の材料の線膨張係数に近いものとすることが望ましい。本実施形態では、内部樹脂３４の線膨張係数は銅の線膨張係数に近く、樹脂３５の線膨張係数はアルミニウムの線膨張係数に近いものであることが望ましい。これにより、温度による接合材料６４の変形は導電部２２の変形に近いものとなる。また、温度による接合材料６５の変形は冷却部４の変形に近いものとなる。これにより、接合材料６４、接合材料６５の、歪が抑制される。

　緩衝部６により、導電部２２と、冷却部４との熱変形の差が吸収され、接合材料６４、接合材料６５における歪が緩和される。また、内部樹脂３４により導電部２２と緩衝部６との間の接合材料６４の歪が緩和される。樹脂３５により緩衝部６と冷却部４との間の接合材料６５の歪が緩和される。これにより、従来技術による緩衝部６を有しない半導体装置１に比べ、本実施形態にかかる半導体装置１は、より多くの温度サイクルの経過後であっても劣化が抑制され、長寿命とすることができ、信頼性を向上させることができる。

　本実施形態にかかる半導体装置１において、緩衝部６のＸ軸方向の長さＬ２は、開口部３１２のＸ軸方向の長さＬ１より長く、緩衝部６のＹ軸方向の長さＷ２は、開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１より長い。緩衝部６の、防護壁部３０の開口部３１２に相対する面は、開口部３１２を閉塞する面形状を有する。半導体素子２１が短絡故障したときに、緩衝部６が、開口部３１２を有する防護壁部３０の面３１ｍに当接し、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、緩衝部６が、離間することを防止する。

　また、半導体素子２１が短絡故障したときに、緩衝部６は、防護壁部３０の開口部３１２を閉塞し、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。これにより、半導体モジュール２の周辺に配置された故障していない他の半導体モジュール２、半導体装置、または周辺回路が破壊されることが防止される。

　例えば、半導体素子２１ａが短絡故障した場合、導電部２２と導電部２３との間が導通状態となる。その結果、導電部２２と導電部２３との間に流れる電流は、半導体素子２１ａに集中する。半導体素子２１ａに過電流が流れ、半導体素子２１ａと導電部２２または導電部２３との間に設けられた接合部材、および半導体素子２１ａの一部がジュール熱により溶融し気化する。これにより、半導体素子２１ａを封止している内部樹脂３４の内圧が上昇する。この結果、内部樹脂３４は、破断し、導電部２２と導電部２３が離間する方向の力を発生する。

　緩衝部６の、防護壁部３０の開口部３１２に相対する面は、開口部３１２を閉塞する面形状を有する。半導体素子２１が短絡故障したときに、内圧により緩衝部６が、開口部３１２を有する防護壁部３０の面３１ｍに当接し、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、緩衝部６が、離間することを防止する。また、半導体素子２１が短絡故障したときに、緩衝部６は、防護壁部３０の開口部３１２を閉塞し、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。

　これにより、半導体モジュール２の周辺に配置された故障していない他の半導体モジュール２、半導体装置、または周辺回路が破壊されることが防止される。その結果、半導体装置１に搭載された、故障に至っていない他の半導体モジュール２により、短絡故障後も通電が可能となり、パワー半導体モジュールを多段化して用いる高圧変換器等において、電力供給を中断することなく、運転継続することが可能となる。

　緩衝部６の冷却部４との接合面に、表層６３が配置されている。表層６３は銅を主成分とする金属より形成されているので、半田等により形成された接合材料６５との接合親和性が高い。したがって容易に半導体モジュール２は、容易に接合材料６５により冷却部４に接合されるので、半導体装置１の製造を行い易い。また、表層６３は、銅を主成分とする金属より形成されており、切削もしくは研磨等の機械加工を行いやすいので、半導体装置１の製造を行い易い。

　また、冷却部４の緩衝部６との接合面は、半田と親和性の高いニッケルまたは銅等によりめっき処理されるようにしてもよい。冷却部４の緩衝部６との接合面が、半田と親和性の高いニッケルまたは銅等によりめっき処理されることにより、さらに接合材料６５との接合親和性を向上させることができ、より半導体装置１の製造を容易にすることができる。

　上記実施形態では、緩衝部６は、表層６１、中層６２、表層６３を有する３層構造により構成されるものとしたが、緩衝部６の構成は、これに限られない。緩衝部６は、例えばＺ軸正方向の表層６１が銅を主成分とする金属、Ｚ軸負方向の表層６３がアルミニウムを主成分とする金属により構成された２層構造を有するものであってもよい。

　以上が、半導体装置１の作用である。

［１－３．効果］
（１）本実施形態によれば、半導体装置１は、電流が入力される電源側電極２１１と、電源側電極２１１に対して平行となる面に形成され、電流が出力される負荷側電極２１２と、を有する一つ以上の半導体素子２１と、半導体素子２１の電源側電極２１１、負荷側電極２１２のいずれか一方に固定され電気的に接続された導電部２２と、半導体素子２１の電源側電極２１１、負荷側電極２１２の余の一方に固定され電気的に接続され、導電部２２に平行に配置された導電部２３と、導電部２２、導電部２３の少なくとも一方に、緩衝部６を介して固定された冷却部４と、を有するので、温度変化による劣化を軽減することができる半導体装置１を提供することができる。

（２）本実施形態によれば、半導体装置１の緩衝部６は、冷却部４との接合面に対し平行に積層された複数の導電部材により構成されるので、緩衝部６により、導電部２２と、冷却部４との熱変形の差が吸収され、接合材料６４、接合材料６５における歪を緩和することができる。これにより温度変化による劣化を軽減することができる半導体装置１を提供することができる。

（３）本実施形態によれば、半導体装置１の緩衝部６は、導電部２２または導電部２３を構成する材料を含む第１の導電部材により構成された第１の層（表層６１）、冷却部４を構成する材料を含む第２の導電部材により構成された第２の層（中層６２）を含むので、緩衝部６により、導電部２２と、冷却部４との熱変形の差が吸収され、接合材料６４、接合材料６５における歪を緩和することができる。これにより温度変化による劣化を軽減することができる半導体装置１を提供することができる。

（４）本実施形態によれば、半導体装置１の緩衝部６は、銅を含む第１の導電部材により構成された第１の層（表層６１）および第３の層（表層６３）が、アルミニウムを含む第２の導電部材により構成された第２の層（中層６２）を介して接合されるので、緩衝部６により、導電部２２と、冷却部４との熱変形の差が吸収され、接合材料６４、接合材料６５における歪を緩和することができる。これにより温度変化による劣化を軽減することができる半導体装置１を提供することができる。

　表層６１、表層６３を形成する銅を主成分とする金属、中層６２を形成するアルミニウムを主成分とする金属は、異なる線膨張係数を有する。緩衝部６は、複数の線膨張係数が異なる表層６１、中層６２、表層６３が積層され形成されており、導電部２２と、冷却部４との熱変形の差が、緩衝部６により吸収される。これにより、導電部２２と緩衝部６を接合する接合材料６４、冷却部４と緩衝部６を接合する接合材料６５における歪を緩和することができる。

（５）本実施形態によれば、半導体装置１の緩衝部６の第３の層（表層６３）が冷却部４に接合され、第１の層（表層６１）の厚さは、第３の層（表層６３）の厚さ以上であるので、表層６１と導電部２２または導電部２３との接合性、表層６３と冷却部４との接合性をより良くすることができ、導電部２２と緩衝部６を接合する接合材料６４、冷却部４と緩衝部６を接合する接合材料６５における歪を、より緩和することができる。

（６）本実施形態によれば、半導体装置１の導電部２２または導電部２３と緩衝部６との第１の接合部分（接合材料６４）は、第１の樹脂材料（内部樹脂３４）により封止され、冷却部４と緩衝部６との第２の接合部分（接合材料６５）は、第２の樹脂材料（樹脂３５）により封止さるので、内部樹脂３４により導電部２２または導電部２３と緩衝部６との間の接合材料６４の歪が緩和され、樹脂３５により緩衝部６と冷却部４との間の接合材料６５の歪が緩和される。これにより、導電部２２または導電部２３と緩衝部６を接合する接合材料６４、冷却部４と緩衝部６を接合する接合材料６５における歪を、より緩和することができ、温度変化による劣化を、より軽減することができる半導体装置１を提供することができる。

（７）本実施形態によれば、第１の樹脂材料（内部樹脂３４）の線膨張係数と第２の樹脂材料（樹脂３５）の線膨張係数とが異なるので、より効果的に、内部樹脂３４により導電部２２または導電部２３と緩衝部６との間の接合材料６４の歪が緩和され、樹脂３５により緩衝部６と冷却部４との間の接合材料６５の歪が緩和される。内部樹脂３４の線膨張係数を、導電部２２の材料の線膨張係数に近いものとし、樹脂３５の線膨張係数を、冷却部４の材料の線膨張係数に近いものとすることにより、温度による接合材料６４の変形は導電部２２の変形に、接合材料６５の変形は冷却部４の変形に近いものとなる。これにより、接合材料６４、接合材料６５の、歪がより抑制される。

（８）本実施形態によれば、半導体装置１は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６の周囲を囲み、防爆部材により構成された防護壁部３０を有し、防護壁部３０は、冷却部４が挿通される開口部３１２を有し、緩衝部６の、開口部３１２に相対する面は、開口部を閉塞する面形状を有するので、半導体素子２１が短絡故障したときに、内圧により緩衝部６が、開口部３１２を有する防護壁部３０の面３１ｍに当接し、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、緩衝部６が、離間することを防止することができる。

　半導体装置１の半導体モジュール２は、防護壁部３０、緩衝部６を有するので、半導体素子２１が短絡故障したときに、緩衝部６は、防護壁部３０の開口部３１２を閉塞し、半導体モジュール２を構成する部品が飛散することが防止される。これにより、半導体モジュール２の周辺に配置された故障していない他の半導体モジュール２、半導体装置、または周辺回路が破壊されることを防止することができる。その結果、半導体装置１に搭載された、故障に至っていない他の半導体モジュール２により、短絡故障後も通電が可能となり、パワー半導体モジュールを多段化して用いる高圧変換器等において、電力供給を中断することなく、運転継続することが可能となる。

［２．第２実施形態］
［２－１．構成および作用］
　第１実施形態にかかる半導体装置１は、一つの冷却部４および一つの緩衝部６を有していたのに対し、第２実施形態にかかる半導体装置１は、二つの冷却部４ａ、４ｂおよび二つの緩衝部６ａ、６ｂを有することを特徴とする。

　図１１～１３を参照しつつ、本実施形態の半導体装置１の構成を説明する。半導体装置１は、複数の半導体モジュール２、冷却部４ａ、冷却部４ｂおよびケース５を有する。半導体モジュール２は、半導体素子２１（２１ａ、２１ｂ）、導電部２２、導電部２３、防護部３、緩衝部６ａ、緩衝部６ｂを有する。複数の半導体モジュール２が、冷却部４ａ、冷却部４ｂに固定されケース５により周囲を覆われる。導電部２２、導電部２３は、銅を主成分として含む金属材料により構成される。冷却部４ａ、冷却部４ｂはアルミニウムを主成分として含む金属材料により構成される。

　半導体素子２１ａ、２１ｂ、導電部２２、導電部２３、緩衝部６ａ、冷却部４ａの構成は、第１実施形態と同様である。緩衝部６ａのＺ軸正方向の面は、半田等の接合材料６４ａにより導電部２２に接合される。緩衝部６ａのＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料６５ａにより冷却部４ａに接合される。半導体素子２１の電源側電極２１１は、導電部２２、緩衝部６ａを介し、冷却部４ａに電気的に接続される。

　緩衝部６ａは、複数の導電性の金属材料が積層されて形成された板状の部材である。一例として緩衝部６ａは、Ｚ軸正方向の表層６１ａが銅を主成分とする金属、中層６２ａがアルミニウムを主成分とする金属、Ｚ軸負方向の表層６３ａが銅を主成分とする金属により構成された３層構造を有する。表層６１ａが導電部２２に、表層６３ａが冷却部４ａに接合される。表層６１ａの厚さは、表層６３ａと同等以上の厚さを有する。

　緩衝部６ａのＺ軸正方向の面は、半田等の接合材料６４ａにより導電部２２に接合される。緩衝部６ａのＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料６５ａにより冷却部４ａに接合される。半導体素子２１の電源側電極２１１は、導電部２２、緩衝部６ａを介し、冷却部４ａに電気的に接続される。

　緩衝部６ｂは、複数の導電性の金属材料が積層されて形成された板状の部材である。一例として緩衝部６ｂは、Ｚ軸負方向の表層６１ｂが銅を主成分とする金属、中層６２ｂがアルミニウムを主成分とする金属、Ｚ軸正方向の表層６３ｂが銅を主成分とする金属により構成された３層構造を有する。表層６１ｂが導電部２３に、表層６３ｂが冷却部４ｂに接合される。表層６１ｂの厚さは、表層６３ｂと同等以上の厚さを有する。

　緩衝部６ｂのＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料６４ｂにより導電部２３に接合される。緩衝部６ｂのＺ軸正方向の面は、半田等の接合材料６５ｂにより冷却部４ｂに接合される。半導体素子２１の負荷側電極２１２は、導電部２３、緩衝部６ｂを介し、冷却部４ｂに電気的に接続される。

　冷却部４ａおよび冷却部４ｂは、半導体素子２１を冷却する。冷却部４ａは、電力供給源となる外部装置に接続され、冷却部４ｂは、負荷となる外部装置に接続される。冷却部４ａおよび冷却部４ｂは、電流の流路を形成する。

　冷却部４ａおよび冷却部４ｂの間の外周にはケース５が配置され、樹脂３５が冷却部４ａ、冷却部４ｂ、半導体モジュール２の間の空隙に充填される。半導体モジュール２は、樹脂３５により冷却部４に固定される。

　防護部３は、防護壁部３０、カバー部３２、内部樹脂３４により構成される。防護壁部３０は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６ａ、緩衝部６ｂの周囲を囲む。防護壁部３０の内部に、内部樹脂３４が充填され、防護壁部３０は半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６ａ、緩衝部６ｂに対し固定される。カバー部３２は、内部樹脂３４と同質の樹脂により構成され、防護壁部３０の外部を覆う。

　防護壁部３０は、図１３に示すようにＸＹ平面に平行となるＺ軸正方向の１面を形成する面３１ｈ、ＺＸ平面に平行となる１面を形成する面３１ｌ、ＹＺ平面に平行となる２面を形成する面３１ｊ、面３１ｋ、およびＸＹ平面に平行となるＺ軸負方向の１面を形成する面３１ｍを有する。ＺＸ平面に平行となる１面は開放され、開口部３１１が形成される。

　半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６の、半導体素子２１が載置される面と垂直となる３方の面が、防護壁部３０に覆われる。面３１ｍの一部は、開放され、開口部３１２ａが形成される。面３１ｈの一部は、開放され、開口部３１２ｂが形成される。防護壁部３０は、半導体素子２１が短絡故障した時に半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。

　開口部３１２ａは、Ｘ軸方向にＬ１ａ、Ｙ軸方向にＷ１ａの長さを有する長方形状に形成される。開口部３１２ａにおいて緩衝部６ａが冷却部４ａに接合される。緩衝部６ａのＸ軸方向の長さＬ２ａは、開口部３１２のＸ軸方向の長さＬ１ａより長く、緩衝部６ａのＹ軸方向の長さＷ２ａは、開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１ａより長い。

　開口部３１２ｂは、Ｘ軸方向にＬ１ｂ、Ｙ軸方向にＷ１ｂの長さを有する長方形状に形成される。開口部３１２ｂにおいて緩衝部６ｂが冷却部４ｂに接合される。緩衝部６ｂのＸ軸方向の長さＬ２ｂは、開口部３１２のＸ軸方向の長さＬ１ｂより長く、緩衝部６ｂのＹ軸方向の長さＷ２ｂは、開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１ｂより長い。

　半導体素子２１が短絡故障したときに、緩衝部６ａおよび緩衝部６ｂは、それぞれ防護壁部３０の開口部３１２ａ、開口部３１２ｂを閉塞し、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、緩衝部６が、離間することを防止するとともに、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。開口部３１２ａ、開口部３１２ｂは、長方形状以外の形状、例えば、楕円状、六角形状に形成されていてもよい。緩衝部６ａの、防護壁部３０の開口部３１２ａに相対する面は、開口部３１２ａを閉塞する面形状を有する。緩衝部６ｂの、防護壁部３０の開口部３１２ｂに相対する面は、開口部３１２ｂを閉塞する面形状を有する。

　内部樹脂３４は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６ａ、緩衝部６ｂを覆い保護する。また、内部樹脂３４は、半導体素子２１と導電部２２との接合部、半導体素子２１と導電部２３との接合部、導電部２２と緩衝部６ａとの接合部、導電部２３と緩衝部６ｂとの接合部を覆い、保護する。

　樹脂３５は、緩衝部６ａと冷却部４ａとの接合部分、緩衝部６ｂと冷却部４ｂとの接合部分を覆い、保護する。内部樹脂３４と樹脂３５の線膨張係数は異なる。内部樹脂２４の線膨張係数は、樹脂３５の線膨張係数より、導電部２２、導電部２３の材料の線膨張係数に近く、樹脂３５の線膨張係数は、内部樹脂３４の線膨張係数より、冷却部４ａ、冷却部４ｂの材料の線膨張係数に近い。本実施形態では、内部樹脂３４の線膨張係数は銅の線膨張係数に近く、樹脂３５の線膨張係数はアルミニウムの線膨張係数に近い。

　樹脂３５は、半導体モジュール２を完全に密封せず、緩衝部６ａと冷却部４ａとの接合部分、緩衝部６ｂと冷却部４ｂとの接合部分を覆うように構成されていればよい。内部樹脂３４と樹脂３５の線膨張係数は、エポキシ等の樹脂材料に含まれるシリカ等の材料の含有率により調整される。

　緩衝部６ａの表層６１ａ、表層６３ａを形成する銅を主成分とする金属、中層６２ａを形成するアルミニウムを主成分とする金属は、異なる線膨張係数を有する。緩衝部６ａは、複数の線膨張係数が異なる表層６１ａ、中層６２ａ、表層６３ａが積層され形成されており、導電部２２と、冷却部４ａとの熱変形の差が、緩衝部６ａにより吸収される。これにより、導電部２２と緩衝部６ａを接合する接合材料６４ａ、冷却部４ａと緩衝部６ａを接合する接合材料６５ａにおける歪が緩和される。

　同様に、緩衝部６ｂの表層６１ｂ、表層６３ｂを形成する銅を主成分とする金属、中層６２ｂを形成するアルミニウムを主成分とする金属は、異なる線膨張係数を有する。緩衝部６ｂは、複数の線膨張係数が異なる表層６１ｂ、中層６２ｂ、表層６３ｂが積層され形成されており、導電部２３と、冷却部４ｂとの熱変形の差が、緩衝部６ｂにより吸収される。これにより、導電部２３と緩衝部６ｂを接合する接合材料６４ｂ、冷却部４ｂと緩衝部６ｂを接合する接合材料６５ｂにおける歪が緩和される。

　内部樹脂３４により、導電部２２と緩衝部６ａとの間の接合材料６４ａ、導電部２３と緩衝部６ｂとの間の接合材料６４ｂが封止される。樹脂３５により、緩衝部６ａと冷却部４ａとの間の接合材料６５ａ、緩衝部６ｂと冷却部４ｂとの間の接合材料６５ｂが封止される。これにより、接合材料６４ａ、６４ｂおよび接合材料６５ａ、６５ｂの変形が、抑制される。

　内部樹脂３４の線膨張係数は、樹脂３５の線膨張係数より、導電部２２、導電部２３の材料の線膨張係数に近いものとすることが望ましい。樹脂３５の線膨張係数は、内部樹脂３４の線膨張係数より、冷却部４ａ、冷却部４ｂの材料の線膨張係数に近いものとすることが望ましい。これにより、温度による接合材料６４ａ、接合材料６４ｂの変形は、それぞれ導電部２２、導電部２３の変形に近いものとなる。また、温度による接合材料６５ａ、接合材料６５ｂの変形は、それぞれ冷却部４ａ、冷却部４ｂの変形に近いものとなる。これにより、接合材料６４ａ、６４ｂ、接合材料６５ａ、６５ｂの、歪が抑制される。

　緩衝部６ａにより、導電部２２と冷却部４ａとの熱変形の差が、緩衝部６ｂにより、導電部２３と冷却部４ｂとの熱変形の差が吸収され、接合材料６４ａ、６４ｂ、接合材料６５ａ、６５ｂにおける歪が緩和される。また、内部樹脂３４により、導電部２２と緩衝部６ａとの間の接合材料６４ａの歪、導電部２３と緩衝部６ｂとの間の接合材料６４ｂの歪が緩和される。

　樹脂３５により、緩衝部６ａと冷却部４ａとの間の接合材料６５ａの歪、緩衝部６ｂと冷却部４ｂとの間の接合材料６５ｂの歪が緩和される。これにより、本実施形態にかかる半導体装置１は、多くの温度サイクルの経過後であっても劣化が抑制され、長寿命とすることができ、信頼性を向上させることができる。

　緩衝部６ａの、防護壁部３０の開口部３１２ａに相対する面は、開口部３１２ａを閉塞する面形状を有する。緩衝部６ｂの、防護壁部３０の開口部３１２ｂに相対する面は、開口部３１２ｂを閉塞する面形状を有する。半導体素子２１が短絡故障したときに、内圧により緩衝部６ａおよび緩衝部６ｂは、それぞれ開口部３１２ａを有する防護壁部３０の面３１ｍ、開口部３１２ｂを有する防護壁部３０の面３１ｈに当接し、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、緩衝部６ａ、緩衝部６ｂが、離間することを防止する。

　また、半導体素子２１が短絡故障したときに、緩衝部６ａおよび緩衝部６ｂは、それぞれ開口部３１２ａ、開口部３１２ｂを閉塞し、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。これにより、半導体モジュール２の周辺に配置された故障していない他の半導体モジュール２、半導体装置、または周辺回路が破壊されることが防止される。

［２－２．効果］
（１）本実施形態によれば、緩衝部６ａを介し導電部２２が冷却部４ａにより冷却され、緩衝部６ｂを介し導電部２３が冷却部４ｂにより冷却されるので、半導体素子２１は、電源側電極２１１、負荷側電極２１２が形成された両面から効率よく冷却される。これにより、より放熱性能を向上させた半導体装置１を提供することができる。

（２）本実施形態によれば、冷却部４ａ、冷却部４ｂは、外部装置に接続される電流経路を形成するので、外部装置に接続される導体やバスバーを設けることが不要となり、より単純な構成の半導体装置１を提供することができる。構成を単純にすることにより、部品点数を削減することができ、組立てやすく、より故障しにくい信頼性の高い半導体装置１を提供することができる。

（３）緩衝部６ａの、防護壁部３０の開口部３１２ａに相対する面は、開口部３１２ａを閉塞する面形状を有し、緩衝部６ｂの、防護壁部３０の開口部３１２ｂに相対する面は、開口部３１２ｂを閉塞する面形状を有するので、半導体素子２１が短絡故障したときに、内圧により緩衝部６ａおよび緩衝部６ｂは、それぞれ開口部３１２ａを有する防護壁部３０の面３１ｍ、開口部３１２ｂを有する防護壁部３０の面３１ｈに当接し、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、緩衝部６ａ、緩衝部６ｂが、離間することを防止するとともに、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。これにより、半導体モジュール２の周辺に配置された故障していない他の半導体モジュール２、半導体装置、または周辺回路が破壊されることが防止される。

［３．第３実施形態］
［３－１．構成および作用］
　第１実施形態にかかる半導体装置１では、半導体モジュール２の防護壁部３０は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、緩衝部６の周囲を囲むものであるのに対し、本実施形態にかかる半導体装置１では、半導体モジュール２の防護壁部３０は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、ポスト２５の周囲を囲み、緩衝部６がポスト２５を介し導電部２２に接合されたことを特徴とする。防護壁部３０の形状は、第１実施形態と同様であり図７に示す通りである。

　図１４を参照しつつ、本実施形態の半導体装置１の構成を説明する。半導体装置１は、複数の半導体モジュール２、冷却部４、ケース５、緩衝部６を有する。半導体モジュール２は、半導体素子２１（２１ａ、２１ｂ）、導電部２２、導電部２３、防護部３、ポスト２５を有する。複数の半導体モジュール２が、緩衝部６を介し冷却部４に固定されケース５により周囲を覆われる。導電部２２、導電部２３は、銅を主成分として含む金属材料により構成される。冷却部４はアルミニウムを主成分として含む金属材料により構成される。本実施形態におけるポスト２５に接合された導電部２２が、請求項における第１の導電部に相当する。

　導電部２２は、金属材料によりブロック状の直方体に成形された部材である。導電部２２は、銅を主成分として含む金属材料により構成される。導電部２２のＸ軸方向の長さＬ３は、防護壁部３０の開口部３１２のＸ軸方向の長さＬ１より長く、導電部２２のＹ軸方向の長さＷ３は、防護壁部３０の開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１より長い。導電部２２の、防護壁部３０の開口部３１２に相対する面は、開口部３１２を閉塞する面形状を有する。半導体素子２１が短絡故障したときに、導電部２２は、防護壁部３０の開口部３１２を閉塞し、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。

　導電部２２の、ＸＹ平面に平行となるＺ軸正方向の面に、半導体素子２１ａおよび半導体素子２１ｂがＸ軸方向に並んで固定される。半導体素子２１ａの電源側電極２１１ａ、半導体素子２１ｂの電源側電極２１１ｂは、半田等の接合材料により導電部２２に接合される。

　導電部２２のＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料２６によりポスト２５に接合される。導電部２２は、半導体素子２１ａの電源側電極２１１ａおよび半導体素子２１ｂの電源側電極２１１ｂをポスト２５に電気的に接続する。

　ポスト２５は、金属材料によりブロック状の直方体に成形された部材である。ポスト２５は、銅を主成分として含む金属材料により構成される。ポスト２５のＸ軸方向の長さＬ４は、防護壁部３０の開口部３１２のＸ軸方向の長さＬ１より短く、導電部２２のＹ軸方向の長さＷ４は、防護壁部３０の開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１より短い。ポスト２５は、防護壁部３０の面３１ｍに形成された開口部３１２に挿通して配置される。

　ポスト２５の、ＸＹ平面に平行となるＺ軸正方向の面は、半田等の接合材料２６により導電部２２に接合される。ポスト２５の、ＸＹ平面に平行となるＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料６４により緩衝部６に接合される。ポスト２５は、導電部２２を緩衝部６に電気的に接続する。

　緩衝部６のＺ軸正方向の面は、半田等の接合材料６４によりポスト２５に接合される。緩衝部６のＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料６５により冷却部４に接合される。半導体素子２１の電源側電極２１１は、導電部２２、ポスト２５、緩衝部６を介し、冷却部４に電気的に接続される。

　緩衝部６は、複数の導電性の金属材料が積層されて形成された板状の部材である。緩衝部６の構成は、第１実施形態と同じである。表層６１がポスト２５に、表層６３が冷却部４に接合される。表層６１の厚さは、表層６３と同等以上の厚さを有する。

　防護壁部３０は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、ポスト２５の周囲を囲む。防護壁部３０の内部に、内部樹脂３４が充填され、防護壁部３０は半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、ポスト２５に対し固定される。

　緩衝部６の表層６１、表層６３を形成する銅を主成分とする金属、中層６２を形成するアルミニウムを主成分とする金属は、異なる線膨張係数を有する。緩衝部６は、複数の線膨張係数が異なる表層６１、中層６２、表層６３が積層され形成されており、ポスト２５と、冷却部４との熱変形の差が、緩衝部６により吸収される。これにより、ポスト２５と緩衝部６を接合する接合材料６４、冷却部４と緩衝部６を接合する接合材料６５における歪が緩和される。

　緩衝部６により、ポスト２５と冷却部４との熱変形の差が吸収され、接合材料６４、接合材料６５における歪が緩和される。また、内部樹脂３４により、導電部２２とポスト２５との間の接合材料２６の歪が緩和される。これにより、本実施形態にかかる半導体装置１は、多くの温度サイクルの経過後であっても劣化が抑制され、長寿命とすることができ、信頼性を向上させることができる。

　導電部２２の、防護壁部３０の開口部３１２に相対する面は、開口部３１２を閉塞する面形状を有する。半導体素子２１が短絡故障したときに、導電部２２は、内圧により防護壁部３０の開口部３１２を閉塞し、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、ポスト２５が、離間することを防止するとともに半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。

［３－２．効果］
（１）本実施形態によれば、半導体装置１は、半導体素子２１、ポスト２５に接合された導電部２２、導電部２３の周囲を囲み、防爆部材により構成された防護壁部３０を有し、防護壁部３０は、緩衝部６を介して冷却部４に固定される、ポスト２５に接合された導電部２２が挿通される開口部３１２を有し、緩衝部６を介して冷却部４に固定される、導電部２２、の、開口部３１２に相対する面は、開口部３１２を閉塞する面形状を有するので、半導体素子２１が短絡故障したときに、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、ポスト２５が、離間することが防止される。

　また、半導体素子２１が短絡故障したときに、半導体モジュール２を構成する部品が飛散することが防止される。これにより、半導体モジュール２の周辺に配置された故障していない他の半導体モジュール２、半導体装置、または周辺回路が破壊されることを防止することができる。

［３－３．変形例］
（１）上記実施形態では、半導体装置１は、一つの冷却部４および一つの緩衝部６を有するものとしたが、図１５に示すように半導体装置１は、二つの冷却部４ａ、４ｂおよび二つの緩衝部６ａ、６ｂを有するようにしてもよい。防護壁部３０の形状は、第２実施形態と同様であり図１３に示す通りである。本変形例におけるポスト２５ａに接合された導電部２２が、請求項における第１の導電部に、ポスト２５ｂに接合された導電部２３が、請求項における第２の導電部に相当する。

　図１５に示すように半導体モジュール２の防護壁部３０は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、ポスト２５ａ、ポスト２５ｂの周囲を囲み、緩衝部６ａがポスト２５ａを介し導電部２２に接合され、緩衝部６ｂがポスト２５ｂを介し導電部２３に接合される。

　導電部２２のＸ軸方向の長さＬ３ａは、防護壁部３０の開口部３１２ａのＸ軸方向の長さＬ１ａより長く、導電部２２のＹ軸方向の長さＷ３ａは、防護壁部３０の開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１ａより長い。導電部２２の、防護壁部３０の開口部３１２ａに相対する面は、開口部３１２ａを閉塞する面形状を有する。

　導電部２３のＸ軸方向の長さＬ３ｂは、防護壁部３０の開口部３１２ｂのＸ軸方向の長さＬ１ｂより長く、導電部２３のＹ軸方向の長さＷ３ｂは、防護壁部３０の開口部３１２のＹ軸方向の長さＷ１ｂより長い。導電部２３の、防護壁部３０の開口部３１２ｂに相対する面は、開口部３１２ｂを閉塞する面形状を有する。

　半導体素子２１が短絡故障したときに、導電部２２は、防護壁部３０の開口部３１２ａを、導電部２３は、防護壁部３０の開口部３１２ｂを閉塞し、半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。

　導電部２２のＺ軸負方向の面は、半田等の接合材料２６ａによりポスト２５ａに接合される。導電部２３のＺ軸正方向の面は、半田等の接合材料２６ｂによりポスト２５ｂに接合される。

　ポスト２５ａ、ポスト２５ｂは、金属材料によりブロック状の直方体に成形された部材である。ポスト２５ａのＸ軸方向の長さＬ４ａは、防護壁部３０の開口部３１２ａのＸ軸方向の長さＬ１ａより短く、導電部２２のＹ軸方向の長さＷ４ａは、防護壁部３０の開口部３１２ａのＹ軸方向の長さＷ１ａより短い。ポスト２５ｂのＸ軸方向の長さＬ４ｂは、防護壁部３０の開口部３１２ｂのＸ軸方向の長さＬ１ｂより短く、導電部２３のＹ軸方向の長さＷ４ｂは、防護壁部３０の開口部３１２ｂのＹ軸方向の長さＷ１ｂより短い。ポスト２５ａは、開口部３１２ａに挿通して配置される。ポスト２５ｂは、開口部３１２ｂに挿通して配置される。

　ポスト２５ａの、Ｚ軸正方向の面は、半田等の接合材料２６ａにより導電部２２に接合される。ポスト２５の、Ｚ軸負方向の面は、半田等の接合材料６４ａにより緩衝部６ａに接合される。ポスト２５ｂの、Ｚ軸負方向の面は、半田等の接合材料２６ｂにより導電部２３に接合される。ポスト２５ｂの、Ｚ軸正方向の面は、半田等の接合材料６４ｂにより緩衝部６ｂに接合される。

　緩衝部６ａのＺ軸正方向の面は、接合材料６４ａによりポスト２５ａに接合され、Ｚ軸負方向の面は、接合材料６５ａにより冷却部４ａに接合される。緩衝部６ｂのＺ軸負方向の面は、接合材料６４ｂによりポスト２５ｂに接合され、Ｚ軸正方向の面は、接合材料６５ｂにより冷却部４ｂに接合される。緩衝部６ａ、緩衝部６ａの構成は、第２実施形態と同じである。

　防護壁部３０は、半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、ポスト２５ａ、ポスト２５ｂの周囲を囲む。防護壁部３０の内部に、内部樹脂３４が充填され、防護壁部３０は半導体素子２１、導電部２２、導電部２３、ポスト２５ａ、ポスト２５ｂに対し固定される。開口部３１２ａにおいてポスト２５ａが緩衝部６ａに接合される。開口部３１２ｂにおいてポスト２５ｂが緩衝部６ｂに接合される。

　緩衝部６ａにより、ポスト２５ａと冷却部４ａとの熱変形の差が吸収され、接合材料６４ａ、接合材料６５ａにおける歪が緩和される。緩衝部６ｂにより、ポスト２５ｂと冷却部４ｂとの熱変形の差が吸収され、接合材料６４ｂ、接合材料６５ｂにおける歪が緩和される。これにより、多くの温度サイクルの経過後であっても劣化が抑制され、信頼性が向上した、より長寿命の半導体装置１を提供することができる。

　導電部２２の、防護壁部３０の開口部３１２ａに相対する面は、開口部３１２ａを閉塞する面形状を有する。導電部２３の、防護壁部３０の開口部３１２ｂに相対する面は、開口部３１２ｂを閉塞する面形状を有する。半導体素子２１が短絡故障したときに、導電部２２および導電部２３は、内圧によりそれぞれ防護壁部３０の開口部３１２ａ、開口部３１２ｂを閉塞し、ポスト２５ｂ、導電部２３、半導体素子２１、導電部２２、ポスト２５ａが、離間することを防止するとともに半導体素子２１の構成部品が飛散することを防止する。

　これにより、半導体モジュール２の周辺に配置された故障していない他の半導体モジュール２、半導体装置、または周辺回路が破壊されることが防止される。

　本変形例によれば、緩衝部６ａを介し導電部２２が冷却部４ａにより冷却され、緩衝部６ｂを介し導電部２３が冷却部４ｂにより冷却されるので、半導体素子２１は、電源側電極２１１、負荷側電極２１２が形成された両面から効率よく冷却される。これにより、より放熱性能を向上させた半導体装置１を提供することができる。

［４．他の実施形態］
　変形例を含めた実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。以下は、その一例である。

（１）上記実施形態では、半導体素子２１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるものとしたが、半導体素子２１は、これに限られない。半導体素子２１は、ＩＧＢＴの他、例えばＭＯＳ－ＦＥＴ（Ｍｅｒａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ　Ｔｕｒｎｏｆｆ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスター、サイリスタ、ＦＲＤ（Ｆａｓｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｄｉｏｄｅ）等のダイオード、またはこれらが、混載されものであってもよい。半導体素子２１が、ダイオードである場合、制御電極２１３、および制御端子７１は、設けられない。

（２）上記実施形態では、導電部２３の突出部２４は、導電部２３と一体に形成されるものとした。しかしながら突出部２４の構成はこれに限られない。例えば突出部２４は導電部２３と個別の部材により構成されるものとし、導電部２３と半導体素子２１の間に配置されるようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、半導体素子２１の電源側電極２１１が導電部２２に、負荷側電極２１２が導電部２３に固定されるものとしたが、半導体素子２１の電源側電極２１１が導電部２３に、負荷側電極２１２が導電部２２に固定されるようにしてもよい。半導体素子２１の電源側電極２１１、負荷側電極２１２のいずれか一方が導電部２２に固定され、電気的に接続され、半導体素子の電源側電極２１１、負荷側電極２１２の余の一方が導電部２３に固定され、電気的に接続される。

（４）上記実施形態では、導電部２２、２３は、銅を主成分として含む金属材料により構成されるものとしたが、導電部２２、２３を構成する金属材料はこれに限られない。導電部２２、２３は、例えばアルミニウムを主成分として含む金属材料により構成されるものであってもよい。

（５）上記実施形態では、冷却部４は、アルミニウムを主成分として含む金属材料により構成されるものとしたが、冷却部４を構成する金属材料はこれに限られない。冷却部４は、例えば銅を主成分として含む金属材料により構成されるものであってもよい。

１・・・半導体装置
２・・・半導体モジュール
３・・・防護部
４，４ａ，４ｂ・・・冷却部
５・・・ケース
６，６ａ，６ｂ・・・緩衝部
２１、２１ａ、２１ｂ・・・半導体素子
２２・・・導電部
２３・・・導電部
２４・・・突出部
２５，２５ａ，２５ｂ・・・ポスト
２６，２６ａ，２６ｂ・・・接合材料
３０・・・防護壁部
３１ｈ，３１ｊ，３１ｋ，３１ｌ・・・面
３２・・・カバー部
３４・・・内部樹脂
３５・・・樹脂
４１・・・冷却フィン
４２・・・空隙
５１・・・側壁
５２・・・天蓋
６１，６１ａ，６１ｂ・・・表層
６２，６２ａ，６２ｂ・・・中層
６３，６３ａ，６３ｂ・・・表層
６４，６４ａ，６４ｂ・・・接合材料
６５，６５ａ，６５ｂ・・・接合材料
７１，７１ａ，７１ｂ・・・制御端子
７２・・・バスバー
２１１・・・電源側電極
２１２・・・負荷側電極
２１３・・・制御電極
３１１・・・開口部
３１２，３１２ａ，３１２ｂ・・・開口部

 

Claims (9)

1. 　電流が入力される電源側電極と、
   　前記電源側電極に対して平行となる面に形成され、電流が出力される負荷側電極と、
   　　を有する一つ以上の半導体素子と、
   　前記半導体素子の前記電源側電極、前記負荷側電極のいずれか一方に固定され電気的に接続された第１の導電部と、
   　前記半導体素子の前記電源側電極、前記負荷側電極の余の一方に固定され電気的に接続され、前記第１の導電部に平行に配置された第２の導電部と、
   　前記第１の導電部、前記第２の導電部の少なくとも一方に、緩衝部を介して固定された冷却部と、
   　　を有する半導体装置。
2. 　前記緩衝部は、前記冷却部との接合面に対し平行に積層された複数の導電部材により構成された、
   　　請求項１に記載の半導体装置。
3. 　前記緩衝部は、前記第１の導電部または前記第２の導電部を構成する材料を含む第１の導電部材により構成された第１の層、前記冷却部を構成する材料を含む第２の導電部材により構成された第２の層を含む、
   　　請求項２に記載の半導体装置。
4. 　前記緩衝部は、銅を含む第１の導電部材により構成された第１の層および第３の層が、アルミニウムを含む第２の導電部材により構成された第２の層を介して接合された、
   　　請求項２に記載の半導体装置。
5. 　前記緩衝部の前記第３の層が前記冷却部に接合され、前記第１の層の厚さは、前記第３の層の厚さ以上である、
   　　請求項４に記載の半導体装置。
6. 　前記第１の導電部または前記第２の導電部と前記緩衝部との第１の接合部分は、第１の樹脂材料により封止され、前記冷却部と前記緩衝部との第２の接合部分は、第２の樹脂材料により封止された、
   　　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 　第１の樹脂材料の線膨張係数と第２の樹脂材料の線膨張係数とが異なる、
   　　請求項６に記載の半導体装置。
8. 　前記半導体素子、前記第１の導電部、前記第２の導電部、緩衝部の周囲を囲み、防爆部材により構成された防護壁部を有し、
   　前記防護壁部は、前記冷却部が挿通される開口部を有し、
   　前記緩衝部の、前記開口部に相対する面は、前記開口部を閉塞する面形状を有する、
   　　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
9. 　前記半導体素子、前記第１の導電部、前記第２の導電部の周囲を囲み、防爆部材により構成された防護壁部を有し、
   　前記防護壁部は、前記緩衝部を介して前記冷却部に固定される、前記第１の導電部、前記第２の導電部の少なくとも一方が挿通される開口部を有し、
   　前記緩衝部を介して前記冷却部に固定される、前記第１の導電部、前記第２の導電部の少なくとも一方の、前記開口部に相対する面は、前記開口部を閉塞する面形状を有する、
   　　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。
   
    

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