WO2022130523A1 - 半導体装置、電力変換装置、および移動体 - Google Patents

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Abstract

半導体素子が発した熱が放熱板を通って金属電極と絶縁基板との接合部に伝わる度合いが抑制され信頼性の向上した半導体装置を提供する。そのために、半導体装置は、放熱板と、少なくとも１つの絶縁基板と、半導体素子と、金属電極と、を備え、少なくとも１つの絶縁基板は放熱板の一方主面上に接合されており、半導体素子は放熱板の一方主面上に少なくとも１つの絶縁基板のいずれかを介して接合されており、金属電極は放熱板の一方主面上に少なくとも１つの絶縁基板のいずれかを介して接合されており、放熱板は、半導体素子が接合されている領域と、金属電極が接合されている領域と、の間の領域において、厚み方向における幅が他の箇所より狭い狭窄部を有する。

Description

半導体装置、電力変換装置、および移動体
　本開示は、半導体装置、電力変換装置、および移動体に関する。
　例えば特許文献１において、半導体素子と電極がそれぞれ絶縁部材を介して放熱板に接合されている半導体装置が開示されている。
特開２００５－２７６９６８号公報
　半導体装置において、半導体素子と金属電極がそれぞれ絶縁基板を介して放熱板に接合されている場合、半導体素子が発した熱は、放熱板を通って、金属電極と絶縁基板との接合部に伝わる。半導体素子が発した熱が金属電極と絶縁基板との接合部に伝わりやすいと、金属電極と絶縁基板との接合部が劣化しやすく、半導体装置の信頼性が低くなる。
　本開示はこのような問題を解決するための物であり、半導体素子が発した熱が放熱板を通って金属電極と絶縁基板との接合部に伝わる度合いが抑制され信頼性の向上した半導体装置、当該半導体装置を用いた電力変換装置、および、当該電力変換装置を用いた移動体を提供することを目的とする。
　本開示の半導体装置は、放熱板と、少なくとも１つの絶縁基板と、半導体素子と、金属電極と、を備え、少なくとも１つの絶縁基板は放熱板の一方主面上に接合されており、半導体素子は放熱板の一方主面上に少なくとも１つの絶縁基板のいずれかを介して接合されており、金属電極は放熱板の一方主面上に少なくとも１つの絶縁基板のいずれかを介して接合されており、放熱板は、半導体素子が接合されている領域と、金属電極が接合されている領域と、の間の領域において、厚み方向における幅が他の箇所より狭い狭窄部を有する、半導体装置、である。
　本開示の電力変換装置は、本開示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、主変換回路を制御する制御信号を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、である。
　本開示の移動体は、本開示の電力変換装置と、電力変換装置の出力する電力により駆動される電動機と、を備える、移動体、である。
　本開示の半導体装置の放熱板は、半導体素子が接合されている領域と、金属電極が接合されている領域と、の間の領域において、厚み方向における幅が他の箇所より狭い狭窄部を有する。これにより、本開示の半導体装置は、半導体素子が発した熱が放熱板を通って金属電極と絶縁基板との接合部に伝わる度合いが抑制され信頼性の向上した半導体装置である。
　本開示の電力変換装置は、本開示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、を備える。これにより、本開示の半導体装置を備える電力変換装置が提供される。
　本開示の移動体は、本開示の電力変換装置を備える。これにより、電力変換装置を用いた移動体が提供される。
　また、本願明細書に開示される技術に関連する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。
実施の形態１の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態２の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態３の半導体装置の放熱板の構成を示す図である。 実施の形態３の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態４の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態５の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態６の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態７の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態８の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態８の半導体装置の構成を示す図である。 実施の形態１０の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図である。 実施の形態１１の移動体の構成を示す図である。 比較例の半導体装置の構成を示す図である。
　＜比較例＞
　図１３は後述する各実施の形態の比較例としての半導体装置７０を示す。
　半導体装置７０は、半導体素子１と、金属電極２と、絶縁基板３と、接合材５と、放熱板６と、ワイヤ７と、ケース筐体８と、封止材９と、を備える。
　絶縁基板３は、絶縁層３０と、金属パターン４とを備える。絶縁層３０の素材は例えばセラミックである。金属パターン４は絶縁層３０の両主面上に形成されている。金属パターン４の材料は例えば銅である。
　半導体素子１は例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）、またはＦＷＤ（Ｆｒｅｅ　Ｗｈｅｅｌｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ、還流ダイオード）である。半導体素子１は例えばシリコン半導体を用いたシリコン半導体素子である。
　絶縁基板３は接合材５を介して放熱板６に接合されている。接合材５は例えばはんだである。放熱板６の材料は、例えば、銅またはアルミニウムまたはその両方である。
　半導体素子１と金属電極２とは、絶縁基板３表面の金属パターン４に接合材５により接合されている。つまり、半導体素子１と金属電極２とは、絶縁基板３を介して、放熱板６の一方主面上に接合されている。半導体素子１と金属電極２とは、金属パターン４およびワイヤ７により電気的に接続されている。
　半導体素子１と、絶縁基板３と、ワイヤ７と、はケース筐体８内に配置され封止材９で保護されている。ケース筐体８の素材は例えばＰＰＳ（Ｐｏｌｙ　Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　Ｓｕｌｆｉｄｅ　Ｒｅｓｉｎ、ポリフェニレンサルファイド樹脂）である。封止材９は例えばシリコーンゲルである。金属電極２は半導体装置７０を外部の回路と電気的に接続するためのものである。
　半導体素子１が動作すると、熱が発生する。半導体素子１から発生した熱は、放熱板６を通って、金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる。これにより、金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に熱応力が発生し、接合材５が脆化し、金属電極２が絶縁基板３から剥離しやすくなる。このように、半導体素子１から金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる熱は、半導体装置７０の短寿命化の要因となる。
　＜Ａ．実施の形態１＞
　＜Ａ－１．構成＞
　図１は本実施の形態の半導体装置７１を示す。
　半導体装置７１は、半導体装置７０と比べ、放熱板６に穴１０が設けられている点が異なる。半導体装置７１は、その他の点では半導体装置７０と同様である。
　半導体装置７１において、放熱板６の、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、の間の領域、つまり図１に示されている領域５０、に、穴１０が設けられている。穴１０は、例えば、放熱板６の一方側面から、当該一方側面に対向する他方側面まで貫通している貫通穴である。また、穴１０は、例えば、放熱板６の一方側面にのみ開口を有し、他方側面まで貫通していない止まり穴である。
　穴１０は、円柱状であり、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向（例えば、図１における紙面垂直方向）に延在している。
　このように、放熱板６は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、の間の領域において、穴１０により厚み方向における幅が他の箇所より狭くなっている、狭窄部４０を有する。ここで、狭窄部４０の厚み方向における幅が他の箇所より狭いとは、狭窄部４０における穴１０を除いた厚み方向の幅、つまり、Ｗ２＋Ｗ３が、他の箇所での放熱板６の厚み方向における幅Ｗ１より小さいということである。
　＜Ａ－２．動作＞
　半導体素子１が動作すると、熱が発生する。半導体素子１から発生した熱は、放熱板６を通って、金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わるが、放熱板６が狭窄部４０を有することにより、半導体素子１から発生した熱が放熱板６を通って金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる度合い、が抑制される。これにより、半導体装置７１の動作時に金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に発生する熱応力が抑制され、半導体装置７１の信頼性が向上する。
　一般的には空気の熱伝導率は室温付近で０．０２４１Ｗ／ｍＫ程度であり、これは放熱板６の材料の例である銅の熱伝導率４０３Ｗ／ｍＫ程度およびアルミニウムの熱伝導率２３６Ｗ／ｍＫ程度に対して小さい。よって、穴１０に空気が充填されることで、半導体素子１から発生した熱が放熱板６を通って金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる度合いが抑制される。但し、穴１０の内部に空気が充填されていなくともよい。半導体装置７１は、例えば穴１０内部に放熱板６の材料よりも熱伝導率の小さい物質、例えば樹脂、を含んでいてもよい。
　＜Ｂ．実施の形態２＞
　図２は本実施の形態の半導体装置７２を示す。
　半導体装置７２は、半導体装置７１と比べると、放熱板６の半導体素子１が接合されている領域と金属電極２が接合されている領域との間に、穴１０の代わりに、開口を有さない内部空洞１１が設けられている点が異なる。半導体装置７２はその他の点では半導体装置７１と同様である。
　内部空洞１１は円柱状であり、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在している。
　半導体装置７２の放熱板６は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、の間の領域において、内部空洞１１により厚み方向における幅が他の箇所より狭くなっている、狭窄部４０を有する。
　半導体装置７２では、狭窄部４０により、半導体素子１から発生した熱が放熱板６を通って金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる程度が抑制される。これにより、半導体装置７２の信頼性が向上する。
　内部空洞１１は、例えば、止まり穴を形成した後に、当該止まり穴の開口部分に放熱板と同じ素材で蓋をすることで形成される。放熱板６に設けられるのが開口を有さない内部空洞１１であることで、放熱板６の外観を内部空洞１１のない場合の放熱板６と変わらないようにできる。
　内部空洞１１には空気が充填されている。半導体装置７２では、内部空洞１１への異物、例えばヒートシンクと放熱板の間に塗布する熱伝導グリースまたは水分等、の侵入が防がれ、内部空洞１１への異物の侵入による断熱性能の悪化が防がれる。ただし、半導体装置７２は、内部空洞１１の内部に放熱板６の材料よりも熱伝導率の小さい物質、例えば樹脂、を含んでいてもよい。
　＜Ｃ．実施の形態３＞
　図４は本実施の形態の半導体装置７３を示す。
　半導体装置７３において、放熱板６は、複数の独立した部分、つまり部分６ａおよび部分６ｂを組み合わせて形成されている。図３に示されるように、部分６ａの側面には凹部１２ａが設けられており、部分６ｂの側面には凹部１２ｂが設けられている。また、図４に示されるように、穴１０は凹部１２ａと凹部１２ｂを合わせて形成されている。半導体装置７３は、その他の点では、実施の形態１の半導体装置７１と同様である。
　半導体装置７３において、放熱板６は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、の間の領域において、穴１０により厚み方向における幅が他の箇所より狭くなっている、狭窄部４０を有する。半導体装置７３では、狭窄部４０により、半導体素子１から発生した熱が放熱板６を通って金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる程度が抑制される。これにより、半導体装置７３の信頼性が向上する。
　穴１０ではなく、実施の形態２で説明した内部空洞１１が、部分６ａの側面の凹部と部分６ｂの側面の凹部により形成されていてもよい。
　本実施の形態では、放熱板６が複数の独立した部分を組み合わせて形成されており、穴１０は部分６ａの凹部１２ａと部分６ｂの凹部１２ｂを合わせて形成されていることで、穴１０を形成するための加工が容易である。
　特許文献１に開示されている、放熱部の間に耐熱樹脂を設ける構造の場合、部品数が増加し、また、異種材料の接合が必要であるため工程が増える。本実施の形態では、部分６ａと部分６ｂの間に耐熱樹脂は不要である。また、部分６ａと部分６ｂは同一材料同士である為、部分６ａと部分６ｂは容易に接合される。部分６ａと部分６ｂは例えば接合材により接合される。また、部分６ａと部分６ｂは、互いに接合はされず、互いに接するように配置されていてもよい。
　＜Ｄ．実施の形態４＞
　図５は本実施の形態の半導体装置７４を示す。
　半導体装置７４は、実施の形態１の半導体装置７１と比べると、半導体素子１と金属電極２が異なる絶縁基板に接合されている点が異なる。半導体装置７４は、その他の点では半導体装置７１と同様である。
　半導体装置７４は、実施の形態２または３の半導体装置に対し、半導体素子１と金属電極２を異なる絶縁基板に接合するように変更を加えた構成であってもよい。
　半導体装置７４は図５に示されるように、複数の絶縁基板、つまり絶縁基板３ａおよび絶縁基板３ｂ、を備える。絶縁基板３ａは絶縁層３０ａと金属パターン４とを備える。金属パターン４は絶縁層３０ａの両主面上に形成されている。絶縁基板３ｂは絶縁層３０ｂと金属パターン４とを備える。金属パターン４は絶縁層３０ｂの両主面上に形成されている。絶縁基板３ａおよび絶縁基板３ｂは、接合材５を介して、放熱板６に接合されている。半導体素子１は接合材５を介して絶縁基板３ａに接合されており、金属電極２は接合材５を介して絶縁基板３ｂに接合されている。つまり、半導体素子１は絶縁基板３ａを介して放熱板６に接合されており、金属電極２は絶縁基板３ｂを介して放熱板６に接合されている。
　半導体装置７４でも、狭窄部４０により、半導体素子１から発生した熱が放熱板６を通って金属電極２と絶縁基板３ｂとの接合材５による接合部に伝わる程度が抑制される。これにより、半導体装置７４の信頼性が向上する。
　実施の形態１の半導体装置７１では、半導体素子１の発した熱が絶縁基板３を通って金属電極２に伝わるが、半導体装置７４では、半導体素子１と金属電極２が異なる絶縁基板に接合されており、絶縁基板３ａと絶縁基板３ｂの間に封止材９があることで、半導体素子１の発した熱が金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部まで伝わりづらくなる。
　＜Ｅ．実施の形態５＞
　実施の形態１、３、４の半導体装置に対し、穴１０を放熱板６に複数設けるように変更を加えてもよいし、実施の形態２の半導体装置に対し内部空洞１１を複数設けるようにし変更を加えてもよい。また、放熱板６に、貫通穴、止まり穴、および内部空洞のうちのいずれか複数または全部が設けられていてもよい。
　図６は本実施の形態の半導体装置７５を示す。図６では、半導体装置７５は、実施の形態１の半導体装置７１に対し、穴１０が複数に変更された構成として示されている。半導体装置７５は、その他の点では半導体装置７１と同様である。
　半導体装置７５において、複数の穴１０は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向に、並んでいる。各穴１０は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在している。
　半導体素子１と金属電極２の間隔が放熱板６の厚さ以上である場合、穴１０を複数設けることで、つまり、狭窄部４０を複数設けることで、穴１０が１つの場合と比べ、半導体素子１から金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる熱をより少なくできる。これにより、半導体装置７５の信頼性が向上する。
　半導体素子１と金属電極２の間隔が放熱板６の厚さ以上である場合、実施の形態１の半導体装置７１に設けられる１つの穴１０を半導体素子１と金属電極２とを繋ぐ方向に広くすることでも半導体素子１から金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる熱を少なくできるが、複数の穴１０を設けることで、放熱板６の強度の低下を抑えることができ、かつ、半導体素子１から金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる熱を少なくできる。
　＜Ｆ．実施の形態６＞
　実施の形態１から５において、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、の間の領域に狭窄部４０を形成するものであれば、穴１０または内部空洞１１は、円柱状に限らず、四角柱状または三角柱状またはその他の任意の形状であってよい。穴１０または内部空洞１１の形状は、放熱板６の形状および材質に応じて加工しやすい形状であってよい。
　図７では、本実施の形態の半導体装置７６の例として、実施の形態１の半導体装置７１と比べ、放熱板６に、円柱状の穴１０の代わりに四角柱状の穴１０ｂと三角柱状の穴１０ｃが設けられた構成が示されている。半導体装置７６は、その他の点では半導体装置７１と同様である。
　＜Ｇ．実施の形態７＞
　図８は、本実施の形態の半導体装置７７を示す図である。
　半導体装置７７では、放熱板６の、半導体素子１および金属電極２が接合されている側の主面に凹部１３が設けられている。放熱板６は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、の間の領域において、狭窄部４０を有する。狭窄部４０は、凹部１３により、厚み方向における幅が他の箇所より狭くなっている。
　半導体装置７７の構成は、放熱板６の形状および凹部１３に接合材５を含む点以外では実施の形態１の半導体装置７１と同様である。
　凹部１３は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在している。
　半導体素子１と金属電極２とは放熱板６の一方主面上に、絶縁基板３を介して接合されている。つまり、半導体素子１と金属電極２とは放熱板６の一方主面上に、同じ絶縁基板を介して接合されている。絶縁基板３は凹部１３と対向する位置で放熱板６と接合材５で接合されている。そのため、放熱板６と絶縁基板３を接合材５で接合する際、凹部１３の内部には、接合材５が充填される。つまり、半導体装置７７は、凹部１３の内部に接合材５を含む。接合材５は例えばはんだである。
　接合材５の例であるはんだは、放熱板６の材料である銅またはアルミニウムと比べ、熱伝導率が小さい。例えば、５０Ｓｎの組成のはんだの熱伝導率は４９Ｗ／ｍＫである。そのため、放熱板６に凹部１３が設けられており、凹部１３の内部にはんだが含まれる構成により、半導体素子１から発生した熱が、放熱板６を通って、金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる度合いが抑制される。これにより、半導体装置７７の信頼性が向上する。
　また、本実施の形態と実施の形態４を組み合わせ、実施の形態４の半導体装置７４の放熱板６を、半導体装置７７の放熱板６に代えてもよい。この場合、例えば、凹部１３に対向する位置には絶縁基板３ａおよび絶縁基板３ｂが無く、凹部１３には封止材９が充填される。封止材９は例えばシリコーンゲルであるが、シリコーンゲルの熱伝導率は、放熱板６の材料である銅またはアルミニウムの熱伝導率と比べ小さい。そのため、このような構成においても、半導体素子１から発生した熱が、放熱板６を通って、金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる度合いが抑制される。これにより、半導体装置７７の信頼性が向上する。
　半導体装置７７では放熱板６の主面に凹部１３が設けられるため、例えば実施の形態１で放熱板６の側面に開口を有する穴１０が放熱板６に設けられる場合と比べ加工が容易であり、コストを抑えられる。
　＜Ｈ．実施の形態８＞
　放熱板６に設けられる凹部は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、の間の領域に、狭窄部４０が形成されるものであれば、形状に制限はなく、放熱板６の形状および材質に応じて加工しやすい形状であってよい。凹部は、実施の形態７の半導体装置７７のように断面が矩形状の凹部でなくてもよく、断面がＶ字状の凹部または断面が半円状の凹部であってもよい。また、凹部は複数設けられていてもよい。図９には、本実施の形態の半導体装置７８として、放熱板６に、断面がＶ字状の凹部１３ｂと断面が半円状の凹部１３ｃが設けられている半導体装置が示されている。凹部１３ｂおよび凹部１３ｃは、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在している。
　また、放熱板６に設けられる凹部は、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在しているものでなくともよい。例えば、複数の凹部が、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に離散的に並べて配置されていてもよい。
　図１０に示される半導体装置７９では、放熱板６の、半導体素子１および金属電極２が絶縁基板３を介して接合される側とは逆側の主面に凹部１３ｄが設けられており、このような凹部１３ｄにより、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、の間の領域に、狭窄部４０が形成されている。凹部１３ｄは、半導体素子１が接合されている領域と、金属電極２が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在している。
　放熱板６の半導体素子１および金属電極２が絶縁基板３を介して接合される側とは逆側の主面に凹部が設けられる場合も、放熱板６に設けられる凹部の形状は任意であってよく、また、放熱板６に複数の凹部が設けられていてもよい。
　＜Ｉ．実施の形態９＞
　実施の形態１から８のいずれかの半導体装置において、半導体素子１は、例えばシリコン半導体素子であるとして説明したが、実施の形態１から８のいずれかの半導体装置において、半導体素子１がワイドバンドギャップ半導体を用いたワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。つまり、半導体素子１はワイドバンドギャップ半導体を含んでいてもよい。
　ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンよりもバンドギャップの大きい半導体である。半導体素子１に含まれるワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドがある。
　ワイドギャップ半導体素子は、シリコン半導体素子と比べ、より高温での動作が可能である。シリコン半導体素子の代わりに、より高温での動作が可能であるワイドバンドギャップ半導体素子を半導体素子１として用いる場合、例えば、半導体素子１を冷却する冷却系統を簡素化することができる。
　半導体素子１をより高温で動作させた場合、半導体素子１から金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる熱も増加する。しかし、放熱板６が狭窄部４０を有することにより、半導体素子１をより高温で動作させた場合にも、半導体素子１から発生した熱が放熱板６を通って金属電極２と絶縁基板３との接合材５による接合部に伝わる度合いを抑制できる。
　＜Ｊ．実施の形態１０＞
　本実施の形態は、上述した実施の形態１～９のいずれか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１～９のいずれか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１０として、三相のインバータに実施の形態１～９のいずれか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１１は、本実施の形態にかかる電力変換装置１５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１１に示す電力変換システムは、電源１４、電力変換装置１５、負荷１６から構成される。電源１４は、直流電源であり、電力変換装置１５に直流電力を供給する。電源１４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またはＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１４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１５は、電源１４と負荷１６の間に接続された三相のインバータであり、電源１４から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷１６に交流電力を供給する。電力変換装置１５は、図１１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１７と、主変換回路１７を制御する制御信号を主変換回路１７に出力する制御回路１８とを備えている。
　負荷１６は、電力変換装置１５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１６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または電気自動車、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１５の詳細を説明する。主変換回路１７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１４から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷１６に供給する。主変換回路１７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１７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１７の各スイッチング素子と各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１～９のいずれかに係る半導体装置である半導体装置１００を適用する。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１７の３つの出力端子は、負荷１６に接続される。
　また、主変換回路１７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。スイッチング素子に半導体装置１００が適用されている場合、主変換回路１７は、半導体装置１００が駆動回路を内蔵していているという構成でもよいし、主変換回路１７が半導体装置１００とは別に駆動回路を備えるという構成でもよい。駆動回路は、主変換回路１７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１７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１８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１８は、負荷１６に所望の電力が供給されるよう主変換回路１７のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷１６に供給すべき電力に基づいて主変換回路１７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１７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１７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１７のスイッチング素子と還流ダイオードの少なくともいずれかに実施の形態１～９のいずれかにかかる半導体装置を適用するため、信頼性の向上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実施の形態１～９のいずれか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１～９のいずれか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レベルまたは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実施の形態１～９のいずれか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コンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに実施の形態１～９のいずれか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１～９のいずれか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、レーザー加工機、誘導加熱調理器、または非接触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または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。
　＜Ｋ．実施の形態１１＞
　図１２は本実施の形態の移動体２０を示す。移動体２０は実施の形態１０の電力変換装置１５を備える。移動体２０は、外部から入力された直流電力を電力変換装置１５により交流電力に変換し、当該交流電力を用いて動作する。電力変換装置１５の出力する交流電力によって動作するモーターにより、移動する。
　移動体２０は、電力変換装置として実施の形態１０の電力変換装置１５を備えることにより、信頼性の向上を実現することができる。
　図１２では移動体２０が鉄道車両である場合が想定されているが、移動体２０は鉄道車両に限られず、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車、エレベーターなどであってもよい。
　なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
　１　半導体素子、２　金属電極、３，３ａ，３ｂ　絶縁基板、４　金属パターン、５　接合材、６　放熱板、７　ワイヤ、８　ケース筐体、９　封止材、１０，１０ｂ，１０ｃ　穴、１１　内部空洞、１２ａ，１２ｂ，１３，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ　：凹部、１５　電力変換装置、２０　移動体、３０，３０ａ，３０ｂ　絶縁層、４０　狭窄部、７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，１００　半導体装置。

Claims (21)

  1. 　放熱板と、
    　少なくとも１つの絶縁基板と、
    　半導体素子と、
    　金属電極と、
    　を備え、
    　前記少なくとも１つの絶縁基板は前記放熱板の一方主面上に接合されており、
    　前記半導体素子は前記放熱板の前記一方主面上に前記少なくとも１つの絶縁基板のいずれかを介して接合されており、
    　前記金属電極は前記放熱板の前記一方主面上に前記少なくとも１つの絶縁基板のいずれかを介して接合されており、
    　前記放熱板は、前記半導体素子が接合されている領域と、前記金属電極が接合されている領域と、の間の領域において、厚み方向における幅が他の箇所より狭い狭窄部を有する、
    　半導体装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体装置であって、
    　前記放熱板には、内部空洞または前記放熱板の側面に開口を有する貫通穴もしくは止まり穴、が少なくとも１つ設けられており、
    　前記狭窄部は、前記少なくとも１つの前記内部空洞または前記貫通穴または前記止まり穴により、前記厚み方向における幅が他の箇所より狭くなっている、
    　半導体装置。
  3. 　請求項２に記載の半導体装置であって、
    　前記少なくとも１つの前記内部空洞または前記貫通穴または前記止まり穴のいずれかは、前記半導体素子が接合されている領域と、前記金属電極が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在している、
    　半導体装置。
  4. 　請求項２または３に記載の半導体装置であって、
    　前記放熱板は、複数の独立した部分を組み合わせて形成されており、
    　前記少なくとも１つの前記内部空洞または前記貫通穴または前記止まり穴のうちの少なくともいずれかは、前記複数の独立した部分のうちの２つ以上の部分の側面の凹部を合わせて形成されている、
    　半導体装置。
  5. 　請求項２から４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    　前記放熱板には、前記少なくとも１つの前記内部空洞または前記貫通穴または前記止まり穴として、複数の内部空洞または貫通穴または止まり穴が設けられている、
    　半導体装置。
  6. 　請求項２から５のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    　前記少なくとも１つの前記内部空洞または前記貫通穴または前記止まり穴のうちのいずれかは、円柱状、四角柱状、または三角柱状の内部空洞または貫通穴または止まり穴である、
    　半導体装置。
  7. 　請求項１に記載の半導体装置であって、
    　前記放熱板の前記一方主面に少なくとも１つの凹部が設けられており、
    　前記狭窄部は前記少なくとも１つの凹部により前記厚み方向における幅が狭くなっている、
    　半導体装置。
  8. 　請求項７に記載の半導体装置であって、
    　前記放熱板には、前記少なくとも１つの凹部として、複数の凹部が設けられている、
    　半導体装置。
  9. 　請求項７または８に記載の半導体装置であって、
    　前記少なくとも１つの凹部のいずれかは、前記半導体素子が接合されている領域と、前記金属電極が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在している、
    　半導体装置。
  10. 　請求項７から９のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    　前記少なくとも１つの凹部のいずれかは、断面が矩形状またはＶ字状または半円状である、
    　半導体装置。
  11. 　請求項１に記載の半導体装置であって、
    　前記放熱板の前記一方主面とは逆側の主面に少なくとも１つの凹部が設けられており、
    　前記狭窄部は前記少なくとも１つの凹部により前記厚み方向における幅が狭くなっている、
    　半導体装置。
  12. 　請求項１１に記載の半導体装置であって、
    　前記放熱板には、前記少なくとも１つの凹部として、複数の凹部が設けられている、
    　半導体装置。
  13. 　請求項１１または１２に記載の半導体装置であって、
    　前記少なくとも１つの凹部のいずれかは、前記半導体素子が接合されている領域と、前記金属電極が接合されている領域と、を繋ぐ方向と交差する方向に延在している、
    　半導体装置。
  14. 　請求項１１から１３のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    　前記少なくとも１つの凹部のいずれかは、断面が矩形状またはＶ字状または半円状である、
    　半導体装置。
  15. 　請求項７から１０のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    　前記半導体素子は前記放熱板の前記一方主面上に前記少なくとも１つの絶縁基板のいずれかである第１の絶縁基板を介して接合されており、
    　前記金属電極は前記放熱板の前記一方主面上に前記第１の絶縁基板を介して接合されており、
    　前記第１の絶縁基板は前記少なくとも１つの凹部の少なくともいずれかと対向する位置で前記放熱板とはんだで接合されており、
    　前記第１の絶縁基板が対向している前記凹部の内部にはんだを含む、
    　半導体装置。
  16. 　請求項１から１４のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    　前記半導体素子は前記放熱板の前記一方主面上に前記少なくとも１つの絶縁基板のいずれかである第２の絶縁基板を介して接合されており、
    　前記金属電極は前記放熱板の前記一方主面上に前記少なくとも１つの絶縁基板のいずれかであって前記第２の絶縁基板とは異なる第３の絶縁基板を介して接合されている、
    　半導体装置。
  17. 　請求項１から１６のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    　前記放熱板は銅またはアルミニウムまたはその両方を含む、
    　半導体装置。
  18. 　請求項１から１７のいずれか１項に記載の半導体装置であって、
    　前記半導体素子はワイドバンドギャップ半導体を含む、
    　半導体装置。
  19. 　請求項１８に記載の半導体装置であって、
    　前記ワイドバンドギャップ半導体は炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである、
    　半導体装置。
  20. 　請求項１から１９のいずれか１項に記載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。
  21. 　請求項２０に記載の電力変換装置と、
    　前記電力変換装置の出力する電力により駆動される電動機と、
    　を備える、
    　移動体。
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