特開 2024-43990 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024043990

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20240326BHJP

   H01L 23/40 20060101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

H01L23/40 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022149271

(22)【出願日】2022-09-20

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002918

【氏名又は名称】弁理士法人扶桑国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安達 新一郎

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136CB06

5F136HA10

(57)【要約】

【課題】電流センサを含んで薄型化する。
【解決手段】筐体２０は、平面視で枠型を成し、開口されたユニット収納部２１ｇに絶縁回路基板を収納して天板３１に配置され、Ｗ相出力端子２４ｃとユニット収納部２１ｇから挿通されて外部に延伸される枠部２１と枠部２１に埋設されて、Ｗ相出力端子２４ｃを通電する出力電流を検出する電流センサ４０とを含んでいる。電流センサ４０は、電流センサ４０の外形寸法の最も短い部分である高さｂが天板３１に対する鉛直方向に平行を成して枠部２１に埋設されている。電流センサ４０を含む枠部２１を薄く構成することができるため、筐体２０の薄型化を図り、半導体装置１の小型化を図ることができる。
【選択図】図１０

【特許請求の範囲】

【請求項1】

おもて面に出力電極を備える半導体チップと、
前記半導体チップが配置される絶縁回路基板と、
前記出力電極に電気的に接続される出力端子と、
前記絶縁回路基板が設けられる冷却面を備える天板を含む冷却装置と、
平面視で枠型を成し、開口された収納領域に前記絶縁回路基板を収納して前記天板に配置され、前記出力端子が前記収納領域から挿通されて外部に延伸される枠部と前記枠部に埋設されて、前記出力端子を通電する出力電流を検出する電流検出部とを含む筐体と、
を含み、
前記電流検出部は、前記電流検出部の外形寸法の最も短い部分が前記天板に対する鉛直方向に平行を成して前記枠部に埋設されている、
半導体装置。

【請求項2】

前記絶縁回路基板は、前記半導体チップが配置される第１配線板と前記半導体チップの前記出力電極が電気的に接続される第２配線板とをおもて面に含み、
前記出力端子の一端部が前記第２配線板に接続されて、前記出力端子の他端部は、前記枠部から前記鉛直方向に対する直交方向に外部に延伸している、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記電流検出部は、平面視でＣ字状を成し隙間を空けて前記鉛直方向に貫通された貫通部を含む磁気コアと前記隙間に設けられたホール素子とを含む、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記出力端子は、前記磁気コアの前記貫通部を前記鉛直方向に挿通される中間部分を含む、
請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記出力端子は、前記電流検出部の前記天板に対向する下面の反対側の上面側を延伸し、前記出力端子の前記中間部分は前記上面から前記下面に向かって挿通し、前記出力端子の他端部は前記下面側を外部に向かって延伸する、
請求項４に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記冷却装置は、
前記天板の前記冷却面の反対側に対向配置され、前記枠部に対応する箇所に冷媒の流入口及び流出口が形成された冷却底板と、
平面視で前記冷却面の前記絶縁回路基板が配置される領域に対応して前記天板及び前記冷却底板の間に設けられた複数の放熱フィンと、
前記天板及び前記冷却底板の間に設けられ、平面視で、前記複数の放熱フィン及び前記流入口及び前記流出口を取り囲む側壁と、
をさらに含む、
請求項５に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記天板の前記冷却面の反対側に対向配置され、平面視で前記冷却面の前記絶縁回路基板が配置される領域に対応して、冷媒の流入口及び流出口が形成された冷却底板と、
平面視で前記冷却面の前記絶縁回路基板が配置される領域に対応して前記天板及び前記冷却底板の間に設けられた複数の放熱フィンと、
をさらに含み、
前記天板は、前記複数の放熱フィンが設けられている冷却領域と前記冷却領域の周りであって、前記冷却領域よりも下位に位置し、前記枠部が配置される枠部領域とを含む、
請求項５に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記電流検出部は、前記天板の前記枠部領域の上部に配置されている、
請求項７に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置は、半導体モジュールと冷却装置とを含む。半導体モジュールは、パワーデバイスを含み、例えば、インバータを構成する。パワーデバイスは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が挙げられる。半導体モジュールは、パワーデバイスを含む半導体チップと半導体チップが配置された絶縁回路基板とを含み、これらがケースに収納されている。冷却装置は、内部に冷媒が流通する。これにより、冷却装置は、発熱する半導体モジュールを冷却して半導体モジュールの信頼性を保つ（例えば、特許文献１を参照）。

【0003】

また、半導体モジュールのケース内に電流センサ（電流検出部）が含まれている。電流センサは、半導体チップに電気的に接続されて、半導体チップから出力される出力電流が通電される外部端子から当該出力電流を検出する（例えば、特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－０９２２５０号公報

【特許文献2】特開２０１８－１２１４１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

半導体装置の小型化を図るために、例えば、半導体モジュールの薄型化を要する。しかし、半導体モジュールのケースは電流検出部を含んでいるため、薄型化が制限されてしまう。

【0006】

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、電流検出部を含んで薄型化された半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一観点によれば、おもて面に出力電極を備える半導体チップと、前記半導体チップが配置される絶縁回路基板と、前記出力電極に電気的に接続される出力端子と、前記絶縁回路基板が設けられる冷却面を備える天板を含む冷却装置と、平面視で枠型を成し、開口された収納領域に前記絶縁回路基板を収納して前記天板に配置され、前記出力端子が前記収納領域から挿通されて外部に延伸される枠部と前記枠部に埋設されて、前記出力端子を通電する出力電流を検出する電流検出部とを含む筐体と、を含み、前記電流検出部は、前記電流検出部の外形寸法の最も短い部分が前記天板に対する鉛直方向に平行を成して前記枠部に埋設されている、半導体装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

開示の技術によれば、電流検出部を含んで薄型化を図り、半導体装置の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施の形態の半導体装置の平面図である。

【図2】第１の実施の形態の半導体装置の側面図である。

【図3】第１の実施の形態の半導体装置に含まれる半導体ユニットの平面図である。

【図4】第１の実施の形態の半導体装置に含まれる半導体ユニットの断面図（その１）である。

【図5】第１の実施の形態の半導体装置に含まれる半導体ユニットの断面図（その２）である。

【図6】第１の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置の斜視図（その１）である。

【図7】第１の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置の斜視図（その２）である。

【図8】第１の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置の天板の裏面図である。

【図9】第１の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置における冷媒の流れを説明する図である。

【図10】第１の実施の形態の半導体装置の断面図である。

【図11】第１の実施の形態の半導体装置に含まれる電流センサを示す図である。

【図12】参考例の半導体装置の断面図である。

【図13】第２の実施の形態の半導体装置の断面図である。

【図14】第２の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、「おもて面」及び「上面」とは、図１の半導体装置１において、上側（＋Ｚ方向）を向いたＸ－Ｙ面を表す。同様に、「上」とは、図１の半導体装置１において、上側（＋Ｚ方向）の方向を表す。「裏面」及び「下面」とは、図１の半導体装置１において、下側（－Ｚ方向）を向いたＸ－Ｙ面を表す。同様に、「下」とは、図１の半導体装置１において、下側（－Ｚ方向）の方向を表す。必要に応じて他の図面でも同様の方向性を意味する。「おもて面」、「上面」、「上」、「裏面」、「下面」、「下」、「側面」は、相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、「上」及び「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。また、以下の説明において「主成分」とは、８０ｖｏｌ％以上含む場合を表す。また、「略同一」とは、±１０％以内の範囲であればよい。また、「垂直」、「平行」とは、±１０°以内の範囲であればよい。

【0011】

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の半導体装置１について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、第１の実施の形態の半導体装置の平面図であり、図２は、第１の実施の形態の半導体装置の側面図である。なお、図２は、図１においてＸ－Ｚ面を＋Ｙ方向に見た側面図である。

【0012】

半導体装置１は、半導体モジュール２と冷却装置３とを含む。また、半導体モジュール２は、半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃと半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃを収納する筐体２０とを含んでいる。筐体２０に収納される半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは封止部材（図示を省略）により封止される。なお、半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、いずれも同様の構成を成している。半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、区別しない場合には、半導体ユニット１０として説明する。半導体ユニット１０の詳細については後述する。

【0013】

まず、筐体２０は、枠部２１と第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃと第２接続端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃとＵ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃと制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃとを含んでいる。

【0014】

枠部２１は、平面視で略矩形状を成しており、四方が外壁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄにより囲まれている。なお、外壁２１ａ，２１ｃは、枠部２１の長辺に対応し、外壁２１ｂ，２１ｄは、枠部２１の短辺に対応する。また、外壁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの接続箇所である角部は、必ずしも直角でなくてもよく、図１に示されるように、Ｒ面取りされていてもよい。枠部２１のおもて面の角部に枠部２１を貫通する貫通孔２１ｉがそれぞれ形成されている。なお、枠部２１のこのような角部に形成されている貫通孔２１ｉは、枠部２１のおもて面よりも下位に形成されてよい。

【0015】

枠部２１は、おもて面に外壁２１ａ，２１ｃに沿って、ユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇを含んでいる。ユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇは、平面視で、矩形状を成して開口されている。ユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇには、半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃがそれぞれ収納されている。枠部２１は、半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃがそれぞれ配置された冷却装置３の天板３１に取り付けられる。取り付けの際には、枠部２１のユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇが冷却装置３に配列された半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃをそれぞれ取り囲む（収納する）。なお、冷却装置３の底面３３ｄ（半導体ユニット１０が取り付けられた天板３１の反対面）には、流入口３３ａ及び流出口３３ｂが形成されている。冷却装置３の詳細については後述する。

【0016】

枠部２１は、平面視で、ユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇを±Ｙ方向に挟んで外壁２１ａ側に第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び第２接続端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃを備えている。第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び第２接続端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃの一方の外端部は外壁２１ａ側のおもて面に表出されている。他方の内端部は、ユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ内に表出して半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃに電気的に接続される。外壁２１ｃ側にＵ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとがそれぞれ備えられている。Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとの一方の外端部は外壁２１ｃから表出している。他方の内端部はユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ内に表出して半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃに電気的に接続される。なお、枠部２１の外壁２１ｃ側には、Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとにそれぞれ対応する電流センサ４０が内部に埋設されている。なお、図１には、枠部２１に埋設されている電流センサ４０の箇所を破線で示している。電流センサ４０は、Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとに対して一直線状を成すように設けられている。なお、電流センサ４０の詳細については後述する。

【0017】

また、枠部２１のおもて面の第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ及び第２接続端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃの開口に対向する領域には、当該開口に対向したナットが収納されている。

【0018】

さらに、枠部２１は、平面視で、ユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇの＋Ｙ方向側の辺（外壁２１ｃ側）に沿ってそれぞれ制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃを備えている。制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、それぞれ、２つに分かれて備えられている。制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、Ｊ字状（またはＵ字状）を成しており、一端部が枠部２１の外壁２１ｃ側から鉛直上方（＋Ｚ方向）に延伸している。他端部は、ユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇの外壁２１ｃ側から鉛直上方（＋Ｚ方向）を向いて表出されている。なお、制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃの形状、配置数は、これに限らず適宜変更が可能である。

【0019】

このような枠部２１は、第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃと第２接続端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃとＵ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃと制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃとを含み、熱可塑性樹脂を用いて射出成形により一体成形される。この際、電流センサ４０も一体成形されてよい。これにより、筐体２０が構成される。熱可塑性樹脂は、例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンサクシネート樹脂、ポリアミド樹脂、または、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂である。

【0020】

また、第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃと第２接続端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃとＵ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃと制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃとは、導電性に優れた金属により構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を主成分とする合金である。第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃと第２接続端子２３ａ，２３ｂ，２３ｃとＵ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃと制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃとの表面に対して、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金である。

【0021】

筐体２０のユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇを封止する封止部材（図示を省略）は、シリコーンゲルや熱硬化性樹脂であってよい。熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、ポリエステル樹脂である。好ましくは、エポキシ樹脂である。さらに、封止部材は、フィラーが添加されていてもよい。フィラーは、絶縁性で高熱伝導を有するセラミックスである。

【0022】

次に、半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃについて、図３～図５を用いて説明する。図３は、第１の実施の形態の半導体装置に含まれる半導体ユニットの平面図である。図４及び図５は、第１の実施の形態の半導体装置に含まれる半導体ユニットの断面図である。なお、図４は、図３の一点鎖線Ｘ－Ｘにおける断面図であり、図５は、図３の一点鎖線Ｙ－Ｙにおける断面図である。

【0023】

半導体ユニット１０は、絶縁回路基板１１と２つの半導体チップ１２とリードフレーム１３ａ，１３ｂと、を含んでいる。半導体チップ１２は接合部材１４ａにより絶縁回路基板１１に接合されている。また、リードフレーム１３ａ，１３ｂは接合部材１４ｂにより半導体チップ１２のおもて面の主電極に接合されている。なお、リードフレーム１３ａ，１３ｂは、絶縁回路基板１１に対しては、接合部材１４ｂに代えて、超音波接合により接合してもよい。

【0024】

絶縁回路基板１１は、絶縁板１１ａと配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３と金属板１１ｃとを含んでいる。絶縁板１１ａ及び金属板１１ｃは、平面視で矩形状である。また、絶縁板１１ａ及び金属板１１ｃは、角部がＲ面取り、Ｃ面取りされていてもよい。金属板１１ｃのサイズは、平面視で、絶縁板１１ａのサイズより小さく、絶縁板１１ａの内側に形成されている。

【0025】

絶縁板１１ａは、絶縁性を備え、熱伝導性に優れた材質により構成されている。このような絶縁板１１ａは、セラミックスにより構成されている。セラミックスは、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素である。

【0026】

配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３は、絶縁板１１ａのおもて面に形成されている。配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３は、導電性に優れた金属により構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を主成分とする合金である。また、配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３の厚さは、０．１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下である。配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３の表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金である。

【0027】

配線板１１ｂ１は、絶縁板１１ａのおもて面の＋Ｘ方向の辺側の半分の領域であって、－Ｙ方向の辺から＋Ｙ方向の辺に至る全体を占めている。配線板１１ｂ１に示される破線で囲まれた領域は、第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃの端部が接合される。この際、配線板１１ｂ１に示される破線で囲まれた領域と第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃの端部とが導電性のブロック体を介して接合されてもよい。

【0028】

配線板１１ｂ２は、絶縁板１１ａのおもて面の－Ｘ方向側の半分を占めている。さらに、配線板１１ｂ２は、絶縁板１１ａのおもて面の＋Ｙ方向の辺から－Ｙ方向の辺の手前までを占めている。配線板１１ｂ２に示される破線で囲まれた領域は、Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとのそれぞれの端部がそれぞれ接合される。配線板１１ｂ２に示される破線で囲まれた領域と、Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとは導電性のブロック体を介して接合されてもよい。

【0029】

配線板１１ｂ３は、絶縁板１１ａのおもて面の配線板１１ｂ１，１１ｂ２で囲まれた領域を占めている。配線板１１ｂ３に示される破線で囲まれた領域は、第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃの端部が接合される。配線板１１ｂ３に示される破線で囲まれた領域と第１接続端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃの端部とは導電性のブロック体を介して接続されてもよい。

【0030】

このような配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３は、以下のようにして絶縁板１１ａのおもて面に形成される。絶縁板１１ａのおもて面に金属層を形成し、この金属層に対してエッチング等の処理を行って所定形状の配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３が得られる。または、あらかじめ金属層から切り出した配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３を絶縁板１１ａのおもて面に圧着させてもよい。なお、配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３は一例である。必要に応じて、配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３の個数、形状、大きさ、位置を適宜選択してもよい。

【0031】

金属板１１ｃは、絶縁板１１ａの裏面に形成されている。金属板１１ｃは、矩形状を成している。金属板１１ｃの平面視の面積は、絶縁板１１ａの面積よりも小さく、配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３が形成されている領域の面積よりも広い。金属板１１ｃの角部は、Ｒ面取り、Ｃ面取りされていてもよい。金属板１１ｃは、絶縁板１１ａのサイズより小さく、絶縁板１１ａの縁部を除いた全面に形成されている。この金属は、例えば、銅、アルミニウムまたは、少なくともこれらの一種を含む合金である。金属板１１ｃの表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金である。

【0032】

このような構成を有する絶縁回路基板１１として、例えば、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板、ＡＭＢ（Active Metal Brazed）基板を用いてもよい。絶縁回路基板１１は、冷却装置３のおもて面に接合部材（図示を省略）を介して取り付けてもよい。半導体チップ１２で発生した熱を配線板１１ｂ１，１１ｂ２、絶縁板１１ａ及び金属板１１ｃを介して、冷却装置３に伝導させて放熱することができる。

【0033】

接合部材１４ａ，１４ｂは、はんだである。はんだは、鉛フリーはんだが用いられる。鉛フリーはんだは、例えば、錫、銀、銅、亜鉛、アンチモン、インジウム、ビスマスの少なくとも２つを含む合金を主成分とする。さらに、はんだには、添加物が含まれてもよい。添加物は、例えば、ニッケル、ゲルマニウム、コバルトまたはシリコンである。はんだは、添加物が含まれることで、濡れ性、光沢、結合強度が向上し、信頼性の向上を図ることができる。

【0034】

また、半導体ユニット１０と冷却装置３とを接合する接合部材（図示を省略）は、ろう材、サーマルインターフェースマテリアルであってよい。ろう材は、例えば、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金、ジルコニウム合金、シリコン合金の少なくともいずれかを主成分とする。サーマルインターフェースマテリアルは、例えば、エラストマーシート、ＲＴＶ（Room Temperature Vulcanization）ゴム、ゲル、フェイズチェンジ材などを含む接着材である。このようなろう材またはサーマルインターフェースマテリアルを介して冷却装置３に取り付けることで、半導体ユニット１０の放熱性を向上させることができる。

【0035】

半導体チップ１２は、シリコンから構成されるパワーデバイス素子を含んでいる。半導体チップ１２の厚さは、例えば、４０μｍ以上、２５０μｍ以下である。なお、半導体装置１に含まれる半導体チップ１２の線膨張係数は、封止部材及び冷却装置３の線膨張係数よりも小さい。パワーデバイス素子は、ＲＣ（Reverse-Conducting）－ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。ＲＣ－ＩＧＢＴは、スイッチング素子であるＩＧＢＴとダイオード素子であるＦＷＤ（Free Wheeling Diode）との機能を合わせ持つ。このような半導体チップ１２のおもて面には制御電極１２ａ（ゲート電極）及び主電極１２ｂである出力電極（エミッタ電極）を備えている。このような半導体チップ１２の裏面には主電極である入力電極（コレクタ電極）を備えている。なお、制御電極１２ａは、半導体チップ１２のおもて面の一辺側に沿って（または一辺側の中央部に）設けられている。出力電極は、半導体チップ１２のおもて面の中央部に設けられている。

【0036】

また、半導体チップ１２は、ＲＣ－ＩＧＢＴに代わり、一組のスイッチング素子及びダイオード素子をそれぞれに用いてもよい。スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴである。このような半導体チップ１２は、例えば、裏面に主電極として入力電極（ドレイン電極、または、コレクタ電極）を、おもて面に、制御電極１２ａ（ゲート電極）及び主電極１２ｂである出力電極（ソース電極、または、エミッタ電極）をそれぞれ備えている。ダイオード素子は、例えば、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＰｉＮ（Ｐ-intrinsic-Ｎ）ダイオード等のＦＷＤである。このような半導体チップ１２は、裏面に主電極として出力電極（カソード電極）を、おもて面に主電極として入力電極（アノード電極）をそれぞれ備えている。

【0037】

また、半導体チップ１２は、パワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子を含んでよい。このような半導体チップ１２は、おもて面に、制御電極１２ａ（ゲート電極）、及び、主電極１２ｂである出力電極（ソース電極）をそれぞれ備えている。半導体チップ１２は、裏面に主電極である入力電極（ドレイン電極）を備えている。このような半導体チップ１２は、好ましくは炭化シリコンで構成されていてよい。

【0038】

リードフレーム１３ａ，１３ｂは、半導体チップ１２及び配線板１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３の間を電気的に接続して配線している。半導体ユニット１０は、１相分のインバータ回路を構成する装置であってよい。リードフレーム１３ａは、（配線板１１ｂ２上の）半導体チップ１２の主電極１２ｂと配線板１１ｂ３とを直接接続している。リードフレーム１３ｂは、（配線板１１ｂ１の）半導体チップ１２の主電極１２ｂと配線板１１ｂ２とを直接接続している。

【0039】

リードフレーム１３ａ，１３ｂは、主電極接合部１３ａ１，１３ｂ１と第１鉛直連係部１３ａ２，１３ｂ２と水平連係部１３ａ３，１３ｂ３と第２鉛直連係部１３ａ４，１３ｂ４と配線接合部１３ａ５，１３ｂ５とを一体的に含んでいる。なお、リードフレーム１３ａ，１３ｂは、全体的に同じ厚さであって、平板状を成している。リードフレーム１３ａ，１３ｂは、これらの各部が折り曲げられて構成されてもよい。リードフレーム１３ａ，１３ｂは、導電性に優れた金属により構成されている。このような金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を主成分とする合金である。また、リードフレーム１３ａ，１３ｂの厚さは、０．３ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下である。リードフレーム１３ａ，１３ｂの表面に対して、耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金である。

【0040】

主電極接合部１３ａ１，１３ｂ１は平板状を成している。主電極接合部１３ａ１，１３ｂ１は（配線板１１ｂ２，１１ｂ１の）半導体チップ１２の主電極１２ｂに接合部材１４ａにより接合されている。なお、主電極接合部１３ａ１，１３ｂ１の平面視の形状は主電極１２ｂと同様に矩形状を成している。

【0041】

第１鉛直連係部１３ａ２，１３ｂ２は、その下端部が主電極接合部１３ａ１，１３ｂ１の端部に一体的に接続されて、その上端部が主電極接合部１３ａ１，１３ｂ１に対して鉛直上方（＋Ｚ方向）に延伸している。第１鉛直連係部１３ａ２は、半導体チップ１２に接合されている主電極接合部１３ａ１の配線板１１ｂ３（－Ｙ方向）側の端部に接合されている。第１鉛直連係部１３ｂ２は、半導体チップ１２に接合されている主電極接合部１３ｂ１の配線板１１ｂ２（－Ｘ方向）側であって、－Ｙ方向側の端部に接合されている。

【0042】

水平連係部１３ａ３，１３ｂ３は、第１鉛直連係部１３ａ２，１３ｂ２の上端部に一体的に接続されて、配線板１１ｂ３，１１ｂ２上までそれぞれ延伸している。この際、水平連係部１３ａ３，１３ｂ３は、配線板１１ｂ２と１１ｂ３及び配線板１１ｂ１と１１ｂ２のそれぞれの隙間を跨いでいる。水平連係部１３ａ３，１３ｂ３は、絶縁回路基板１１に対して平行を成している。また、水平連係部１３ａ３，１３ｂ３は同一の高さを成していてもよい。このように水平連係部１３ａ３，１３ｂ３が成すように、第１鉛直連係部１３ａ２，１３ｂ２及び第２鉛直連係部１３ａ４，１３ｂ４の高さが適宜選択される。

【0043】

第２鉛直連係部１３ａ４，１３ｂ４は、その上端部が水平連係部１３ａ３，１３ｂ３の端部に一体的に接続されて、その下端部が鉛直下方（－Ｚ方向）に延伸して、配線接合部１３ａ５，１３ｂ５に一体的に接続されている。

【0044】

配線接合部１３ａ５，１３ｂ５は、配線板１１ｂ３，１１ｂ２にそれぞれ接合され、第２鉛直連係部１３ａ４，１３ｂ４の下端部に一体的に接続されている。配線接合部１３ａ５，１３ｂ５の配線板１１ｂ３，１１ｂ２に対する接合は、既述の接合部材でもよく、また、超音波接合でもよい。

【0045】

リードフレーム１３ａの第１鉛直連係部１３ａ２と水平連係部１３ａ３と第２鉛直連係部１３ａ４と配線接合部１３ａ５とは同一の幅を成している。この幅とは、リードフレーム１３ａの配線方向（±Ｙ方向）に対して直交する方向（±Ｘ方向）の長さである。リードフレーム１３ｂの第１鉛直連係部１３ｂ２と水平連係部１３ｂ３と第２鉛直連係部１３ｂ４との幅は同一の幅を成している。この幅とは、リードフレーム１３ｂの配線方向（±Ｘ方向）に対して直交する方向（±Ｙ方向）の長さである。

【0046】

また、筐体２０のユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇに収納された半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの半導体チップ１２の制御電極１２ａと、制御端子２５ａ，２５ｂ，２５ｃの他端部とがワイヤ２６により機械的かつ電気的に接続されている。ワイヤ２６は、導電性に優れた材質を主成分としている。このような材質は、例えば、金、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの１種を含む合金により構成されている。好ましくは、ワイヤ２６は、シリコンを微量含むアルミニウム合金であってよい。また、ワイヤ２６の径は、例えば、１００μｍ以上、４００μｍ以下である。

【0047】

次に、冷却装置３について、図６～図８を用いて説明する。図６及び図７は、第１の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置の斜視図である。図８は、第１の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置の天板の裏面図である。なお、図７は、冷却装置３の天板３１の裏面側の斜視図である。図８は、冷却装置３の天板３１の裏面の平面図である。

【0048】

冷却装置３は、冷媒を内部に流入する流入口３３ａと内部を流通した冷媒を外部に流出する流出口３３ｂとを備えている。冷却装置３、半導体ユニット１０からの熱を冷媒を介して流出することで、半導体ユニット１０を冷却する。なお、冷媒は、例えば、水、不凍液（エチレングリコール水溶液）、ロングライフクーラント（ＬＬＣ）が用いられる。

【0049】

このような冷却装置３は、平面視で、長辺３０ａ，３０ｃ及び短辺３０ｂ，３０ｄを含む矩形状を成している。また、冷却装置３は、平面視で、少なくとも、四隅に貫通された貫通孔３０ｅがそれぞれ形成されている。

【0050】

このような冷却装置３のおもて面の中央部に長辺３０ａ，３０ｃに沿って、３つの半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃが（Ｘ方向に沿って）搭載される。なお、図８には、半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃの配置領域を破線で示している。半導体ユニット１０の個数は、３つに限らない。また、半導体ユニット１０は冷却装置３の中央部（後述する冷却領域３１ｂ）に配置されるのであれば、半導体ユニット１０の配置位置並びにサイズは、本実施の形態の場合に限らない。また、冷却装置３は、ポンプと放熱装置（ラジエータ）とを備えてもよい。ポンプは、冷却装置３の流入口３３ａに冷媒を流入し、流出口３３ｂから流出した冷媒を再び流入口３３ａに流入して冷媒を循環させる。放熱装置は、半導体ユニット１０からの熱が伝導された冷媒の熱を外部に放熱させる。

【0051】

このような冷却装置３は、天板３１と、天板３１の裏面に環状に接続された側壁３２と、天板３１に対向し、側壁３２の裏面に接続された冷却底板３３と、を有している。天板３１は、平面視で長辺３０ａ，３０ｃ及び短辺３０ｂ，３０ｄで四方が囲まれた矩形状を成し、四隅に貫通孔３０ｅがそれぞれ形成されている。平面視で天板３１の角部は、Ｒ面取りされていてもよい。

【0052】

また、天板３１は、図８に示されるように、流路領域３１ａと外縁領域３１ｅ，３１ｆとに区分される。なお、後述するように、天板３１の裏面に側壁３２が接続される。流路領域３１ａは、側壁３２で囲まれる領域である。流路領域３１ａは、さらに、長辺３０ａ，３０ｃに平行に、冷却領域３１ｂと、連通領域３１ｃ，３１ｄとに区分される。冷却領域３１ｂは、天板３１の長辺３０ａ，３０ｃ（長手方向）に平行な中央の矩形状の領域である。天板３１のおもて面である冷却面３１ｇの冷却領域３１ｂに複数の半導体ユニット１０がＸ方向に沿って一列に配置されている。天板３１の半導体ユニット１０が搭載される冷却面３１ｇは、厚さ方向（Ｚ方向）に段差がなく平坦面で形成され、同一平面を成している。

【0053】

天板３１の裏面の冷却領域３１ｂには、複数の放熱フィン３４が形成されている。天板３１の厚さ（Ｚ方向の長さ）は、例えば、０．５ｍｍ以上、５．０ｍｍ以下である。複数の放熱フィン３４は、天板３１の裏面の冷却領域３１ｂと冷却底板３３との間を接続するように延在する。複数の放熱フィン３４の高さ（Ｚ方向の長さ）は、天板３１と冷却底板３３との隙間に対応しており、１．５ｍｍ以上、１５．０ｍｍ以下である。好ましくは、２．０ｍｍ以上、１２．０ｍｍ以下である。なお、図８では、放熱フィン３４の平面を示し、後述する図９では、放熱フィン３４の側面を示している。但し、図８では、放熱フィン３４を模式的に示しており、必ずしも図８に一致するものではない。冷却領域３１ｂにおいて、長辺３０ａ，３０ｃ方向に配置された放熱フィン３４の数は、短辺３０ｂ，３０ｄの方向に配置された放熱フィン３４の数よりも多い。冷却領域３１ｂは、放熱フィン３４が設けられた領域と、放熱フィン３４の間の流路とが含まれる。なお、隣接する放熱フィン３４同士の間隔は、放熱フィン３４自体の幅よりも狭くてもよい。放熱フィン３４は、±Ｚ方向における上端と下端とを有する。放熱フィン３４の上端は、天板３１の裏面に熱的及び機械的に接続される。放熱フィン３４の下端は、冷却底板３３のおもて面（冷却装置３の内側）に熱的及び機械的に接続される。放熱フィン３４の上端は、天板３１と一体的に構成されていてよい。すなわち、放熱フィン３４は天板３１の裏面から一体的に－Ｚ方向に突出していてよい。他方、放熱フィン３４の下端は、冷却底板３３のおもて面（冷却装置３の内側）にろう付け等で固着されていてよい。また、放熱フィン３４のＺ方向に対する延伸方向は、天板３１及び冷却底板３３のそれぞれの主面と略直交する。放熱フィン３４は、それぞれピンフィンであってよい。また、複数の放熱フィン３４は、それぞれ、天板３１の主面に平行な断面の形状が矩形である。図８では、菱形を成している。これにより、放熱フィン３４の当該断面形状が円形の場合に比べて、冷媒に接触する放熱フィン３４の表面積を大きくすることができ、放熱効率を高めることができる。なお、天板３１及び放熱フィン３４の寸法は、必要な冷却性能等に基づき、適宜設定されてよい。

【0054】

また、複数の放熱フィン３４は、冷却領域３１ｂに冷媒が流入された場合に、冷却領域３１ｂにおける冷媒の主たる流通方向に対して当該矩形のいずれの辺も直交しないように、天板３１の冷却面３１ｇの冷却領域３１ｂに配置されてもよい。本実施の形態では、冷却領域３１ｂにおける冷媒の主たる流通方向は、Ｙ方向（短辺３０ｂ，３０ｄに平行方向）である。複数の放熱フィン３４は、当該矩形の何れの辺もＹ方向に直交しないように、冷却領域３１ｂに配置されている。より具体的には、複数の放熱フィン３４は、当該矩形のどの辺もＹ方向に直交せず、１つの対角線がＸ方向（長辺３０ａ，３０ｃ）に平行になり、他の１つの対角線がＹ方向に平行になるように配置されている。または、複数の放熱フィン３４は、当該矩形の何れの辺もＹ方向に直交せず、１つの対角線がＸ方向に対して傾斜して、他の１つの対角線がＹ方向に対して傾斜するように配置されてもよい。複数の放熱フィン３４が、上記の流通方向に対して上記の矩形のいずれかの辺が直交するように冷却領域３１ｂに配置されている場合に比べて、上述したいずれかの構成によっても、冷却領域３１ｂを流通する冷媒の流速損失を小さくすることができ、放熱効率を高めることができる。

【0055】

また、放熱フィン３４は、図８に示されるＸ－Ｙ面において、長辺３０ａ，３０ｃの方向よりも短辺３０ｂ，３０ｄの方向に短い菱形を成す。なお、複数の放熱フィン３４は、それぞれ、当該断面形状が多角形であってもよく、例えば、正方形であってもよい。または、複数の放熱フィン３４は、それぞれ、当該断面形状が円形であってもよく、例えば、真円であってよい。また、複数の放熱フィン３４は、冷却領域３１ｂにおいて、所定のパターンを形成するように配列されていてもよい。複数の放熱フィン３４は、図８に示すように千鳥配列されている。複数の放熱フィン３４は、冷却領域３１ｂにおいて、正方配列されていてもよい。また、放熱フィン３４はピンフィンに限らず、例えば、ストレートフィンであってもよい。

【0056】

連通領域３１ｃ，３１ｄは、天板３１の冷却面３１ｇにおいて冷却領域３１ｂの両側に隣接し、冷却領域３１ｂに沿った領域である。よって、連通領域３１ｃ，３１ｄは、冷却領域３１ｂから（長辺３０ａ，３０ｃ側の）側壁３２までの領域である。図８の場合、連通領域３１ｃ，３１ｄは、台形状を成している。なお、側壁３２の囲む範囲によっては、連通領域３１ｃ，３１ｄは、例えば、矩形状、半円形状、複数のピークを備える山なり状であってもよい。また、平面視で、連通領域３１ｃ，３１ｄの角部は、曲率を持つようにＲ面取りされていてもよい。これは、連通領域３１ｃ，３１ｄを構成する側壁３２のつなぎ目がＲ面取りされる。連通領域３１ｃ，３１ｄを流通する冷媒が滑らかな角部に留まらずに流れやすくなる。これにより、このような角部の腐食の発生を防止することができる。また、連通領域３１ｃ，３１ｄは、必ずしも、対称な形状でなくてもよい。また、詳細は後述するものの、流出口３３ｂ及び流入口３３ａは連通領域３１ｃ，３１ｄに対応して、それぞれ、短辺３０ｄ，３０ｂ寄りに形成される。また、流出口３３ｂ及び流入口３３ａは、連通領域３１ｃ，３１ｄのＹ方向に対して中心部に形成される。連通領域３１ｃ，３１ｄは、流出口３３ｂ及び流入口３３ａに対して冷媒の流出並びに流入が容易となるような形状であってもよい。例えば、連通領域３１ｃは、流出口３３ｂに対して冷媒を追い込むように、流出口３３ｂに近づくに連れて狭まるような形状でもよい。

【0057】

外縁領域３１ｅ，３１ｆは、天板３１において流路領域３１ａ（冷却領域３１ｂ及び連通領域３１ｃ，３１ｄ）の外側の領域である。すなわち、外縁領域３１ｅ，３１ｆは、平面視で天板３１の側壁３２から天板３１の外縁までの領域である。既述の貫通孔３０ｅ及び補強部３０ｅ１は、外縁領域３１ｅ，３１ｆに形成されている。

【0058】

側壁３２は、天板３１の裏面に、冷却領域３１ｂ及び連通領域３１ｃ，３１ｄを囲んで連続して環状に形成されている。側壁３２の＋Ｚ方向の上端は、天板３１の裏面に固着されている。また、側壁３２の－Ｚ方向の下端は、冷却底板３３のおもて面に固着されている。側壁３２は、図８の場合では、冷却領域３１ｂに沿った短辺３０ｂ，３０ｄに平行な部分と、連通領域３１ｃ，３１ｄに沿った長辺３０ａ，３０ｃに平行な部分と、これらの部分を接続する部分とを含む８つの辺を備えている。環状の側壁３２の内側のつなぎ目の角部はＲ面取りされていてもよい。側壁３２は、平面視で矩形状の冷却領域３１ｂを含み、冷却領域３１ｂの両側に連通領域３１ｃ，３１ｄを含めば、８つの辺で構成されていなくてもよい。また、側壁３２の高さ（Ｚ方向の長さ）は、複数の放熱フィン３４の高さに対応しており、例えば、１．５ｍｍ以上、１５．０ｍｍ以下である。好ましくは、２．０ｍｍ以上、１２．０ｍｍ以下である。また、側壁３２の厚さ（Ｙ方向の長さ）は、後述するように天板３１と冷却底板３３とに挟持されて、冷却装置３の強度を保ちつつ、冷却性能を低下させない程度の幅であって、例えば、１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下である。なお、側壁３２の寸法は、必要な冷却性能等に基づき、適宜設定されてよい。

【0059】

また、天板３１の裏面（冷却装置３の内側）には、貫通孔３０ｅの周囲に形成された補強部３０ｅ１が形成されていてよい。補強部３０ｅ１は、貫通孔３０ｅに対応して貫通されており、ねじ枠である。側壁３２は、天板３１と冷却底板３３とに挟持されて、冷却装置３の強度を保つ。そのため、補強部３０ｅ１の高さは、側壁３２の高さと略同一である。

【0060】

冷却底板３３は、平板状を成し、平面視で、天板３１と同一の形状を成している。すなわち、冷却底板３３は、平面視で長辺及び短辺で四方が囲まれた矩形状を成し、四隅に天板３１に対応した締結孔がそれぞれ形成されている。また、冷却底板３３の角部もまたＲ面取りされていてもよい。また、冷却底板３３は、おもて面及び底面３３ｄが平行な面を成している。または、冷却底板３３のおもて面及び底面３３ｄは、それぞれ半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃが搭載されている配置領域に対向する部分であってよい。本実施の形態では、冷却底板３３の底面３３ｄは、段差がなく平坦面で形成され、同一平面を成している。さらに、冷却底板３３の底面３３ｄと天板３１の冷却面３１ｇも、平行であってよい。冷却底板３３の底面３３ｄは、冷媒が流入し、流出される流入口３３ａ及び流出口３３ｂがそれぞれ形成されている。なお、冷却底板３３の底面３３ｄの流入口３３ａ及び流出口３３ｂを囲んで流入口３３ａ及び流出口３３ｂの周囲にシール領域が設けられている。流入口３３ａは、連通領域３１ｄに対応して、長辺３０ｃ側であって、短辺３０ｄ側に形成されている。流出口３３ｂは、連通領域３１ｃに対応して、長辺３０ａ側であって、短辺３０ｂ側に形成されている。すなわち、流入口３３ａ及び流出口３３ｂは冷却底板３３の底面３３ｄの中心点に対して点対称となる位置にそれぞれ形成されている。このような冷却底板３３が側壁３２に接続されると、補強部３０ｅ１が冷却底板３３の締結孔の周りに接続される。冷却底板３３は、冷却装置３の全体の強度を保ちつつ、冷却性能を低下させない程度の厚さを要する。また、冷却底板３３は、後述するように流入口３３ａ及び流出口３３ｂに配水管が取り付けられるための強度を要する。このため、冷却底板３３の厚さは、天板３１の厚さの１．０倍以上、５．０倍以下である。より好ましくは、２．０倍以上、３．０倍以下である。冷却底板３３の厚さは、例えば、２．０ｍｍ以上、１０.０ｍｍ以下であることが好ましい。なお、冷却底板３３の寸法は、必要な冷却性能等に基づき、適宜設定されてよい。

【0061】

このように構成される冷却装置３の内部は、天板３１と側壁３２と冷却底板３３とで囲まれる流路領域３１ａが構成される。流路領域３１ａは、さらに、冷却領域３１ｂと連通領域３１ｃ，３１ｄとに分けられる。冷却領域３１ｂには、天板３１と冷却底板３３とを接続する複数の放熱フィン３４が延在している。連通領域３１ｃ，３１ｄは、天板３１、側壁３２、冷却底板３３で構成されている。連通領域３１ｄは冷却領域３１ｂに接続されている。流入口３３ａから流入された冷媒が連通領域３１ｄから冷却領域３１ｂに流通する。連通領域３１ｃは冷却領域３１ｂに接続されている。冷却領域３１ｂからの冷媒が、連通領域３１ｃに流れ込み、流出口３３ｂから流出する。なお、冷却装置３における冷媒の流れについては後述する。また、冷却装置３は、天板３１の外縁領域３１ｅ，３１ｆと側壁３２の外側と冷却底板３３と外縁領域３１ｅ，３１ｆが構成される。

【0062】

冷却装置３は、それぞれ、熱伝導性に優れた金属を主成分として構成されている。金属は、例えば、銅、アルミニウム、または、少なくともこれらの一種を含む合金である。冷却装置３の耐食性を向上させるために、めっき処理を行ってもよい。この際、用いられるめっき材は、例えば、ニッケル、ニッケル－リン合金、ニッケル－ボロン合金である。また、複数の放熱フィン３４が形成された天板３１は、例えば、鍛造、鋳造（ダイカスト）により形成される。鍛造の場合、ブロック状の上記金属を主成分とする部材を金型を用いて加圧し、塑性変形させることで、複数の放熱フィン３４及び側壁３２が形成された天板３１が得られる。ダイカストの場合、溶融したダイカスト材を所定の鋳型に流し込み、冷却した後、鋳型から取り出すことで、複数の放熱フィン３４及び側壁３２が形成された天板３１が得られる。また、この際のダイカスト材は、例えば、アルミニウム系の合金である。または、複数の放熱フィン３４や側壁３２が形成された天板３１は、ブロック状の上記金属を主成分とする部材を切削加工により形成してもよい。

【0063】

天板３１の複数の放熱フィン３４及び側壁３２に対して冷却底板３３を接合する。この際の接合は、ろう付け加工によりそれぞれ行われる。したがって、天板３１の主面（裏面）から延伸した側壁３２の端部である裏面、及び放熱フィン３４の端部がそれぞれろう材を介して、冷却底板３３のおもて面に接合される。なお、このような冷却装置３は、いわゆる、クローズ構造と呼ばれる。ろう付け加工で用いられるろう材は、天板３１が鋳造により形成された場合には、ダイカスト材よりも融点が低い材料が用いられる。このようなろう材は、例えば、アルミニウムを主成分とする合金である。

【0064】

なお、天板３１に対して補強部３０ｅ１も別途形成しておき、冷却底板３３にろう付け加工により接合してもよい。また、本実施の形態では、複数の放熱フィン３４が天板３１に接続している場合を示している。この場合に限らず、複数の放熱フィン３４を冷却底板３３の冷却領域３１ｂに対応する領域に形成してもよい。以上により、冷却装置３が得られる。

【0065】

次に、冷却装置３における冷媒の流れについて、図９（並びに図８）を用いて説明する。図９は、第１の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置における冷媒の流れを説明する図である。なお、図９は、図８の一点鎖線Ｙ－Ｙにおける断面図である。図９では、半導体ユニット１０が配置された冷却装置３のみを示しており、筐体２０の記載は省略している。

【0066】

冷却装置３の内部は、既述の通り、ポンプにより冷媒が循環される。冷媒を循環させるにあたり、流入口３３ａには、流入口３３ａの周りを取り囲むシール領域に環状のゴムパッキン３５ａを介して、配水ヘッド３６ａが取り付けられる。配水ヘッド３６ａには配水管３７ａが取り付けられている。また、流出口３３ｂにも、流出口３３ｂの周りを取り囲むシール領域に環状のゴムパッキン３５ｂを介して、配水ヘッド３６ｂが取り付けられる。配水ヘッド３６ｂには配水管３７ｂが取り付けられている。ポンプは配水管３７ａ，３７ｂに接続されている。シール領域は、平面視で、流入口３３ａ及び流出口３３ｂの外縁から、流入口３３ａ及び流出口３３ｂの幅の０．２倍以上、２．０倍以下離れた位置までの領域であってよい。ここで、流入口３３ａ及び流出口３３ｂの幅とは、流入口３３ａ及び流出口３３ｂの重心を通る最短距離の長さであってよい。例えば、流入口３３ａ及び流出口３３ｂの幅とは、流入口３３ａ及び流出口３３ｂが、矩形状または長穴形状であるときの長辺間の距離であってよく、楕円における短径、円における直径であってよい。また、シール領域は、平面視で、流入口３３ａ及び流出口３３ｂの外縁から２０ｍｍまでの領域であってよく、好ましくは、流入口３３ａ及び流出口３３ｂの外縁から１０ｍｍまでの領域であってよい。

【0067】

流入口３３ａから流入された冷媒は、図８に示されるように、連通領域３１ｄに流入し、連通領域３１ｄ内に広がる。連通領域３１ｄ内に流入した冷媒は短辺３０ｂ，３０ｄ（Ｘ方向）側に広がりつつ、長辺３０ａ（－Ｙ方向）側にも広がる。また、冷媒は、流入口３３ａから流入されると、直接、長辺３０ａ（－Ｙ方向）側に広がる。このようにして、冷却領域３１ｂの長辺３０ｃに対向する側部全体に冷媒が流入する。

【0068】

冷却領域３１ｂの（長辺３０ｃ側の）側部に流入した冷媒は、図９に示されるように、複数の放熱フィン３４の間を長辺３０ａ（－Ｙ方向）側に流通する。発熱した半導体ユニット１０からの熱が天板３１を介して複数の放熱フィン３４に伝導する。冷媒は、複数の放熱フィン３４の間を流通する際に、複数の放熱フィン３４から受熱する。このため、半導体ユニット１０の熱が複数の放熱フィン３４に対して伝導しやすくなる。放熱フィン３４同士の隙間を流通する冷媒に対して多くの熱を伝導させることができるようになり、冷却性能が向上する。

【0069】

このように受熱した冷媒は、図８（並びに図９）に示されるように、冷却領域３１ｂの長辺３０ａに対向する側部から連通領域３１ｃに流入して、流出口３３ｂから外部に流出する。この際、冷媒は複数の放熱フィン３４から伝導された熱を含んで流出される。流出した冷媒は放熱装置で冷却されて再びポンプにより流入口３３ａから冷却装置３に流入される。冷却装置３に対する冷媒の循環により、半導体ユニット１０の熱が外部に流出されることで半導体ユニット１０が冷却される。

【0070】

次に、半導体モジュール２に含まれる電流センサ４０について、図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は、第１の実施の形態の半導体装置の断面図である。図１１は、第１の実施の形態の半導体装置に含まれる電流センサを示す図である。なお、図１０は、図１の一点鎖線Ｘ－Ｘにおける断面図である。また、図１１は、筐体２０に含まれている電流センサ４０の模式図を示している。

【0071】

電流センサ４０は、磁気コア４１とホール素子４２とを含んでいる。磁気コア４１は、平面視でＣ字状を成し、計測口４１ｂとして隙間を空けて、中央部で上面４０ａから下面４０ｂを貫通する端子口４１ａを含んだ直方体を成している。

【0072】

磁気コア４１は、磁性材料を主成分として構成されている。磁性材料は、例えば、フェライトである。磁気コア４１は、端子口４１ａと計測口４１ｂとを含んでいる。磁気コア４１は、平面視でＣ字状を成している上面４０ａと上面４０ａの反対側の下面４０ｂとを含んでいる。

【0073】

端子口４１ａは、上面４０ａ及び下面４０ｂの中央部であって、上面４０ａから下面４０ｂに向かって（貫通方向）、磁気コア４１の高さｂに対して平行に貫通している。すなわち、端子口４１ａは、天板３１に対する鉛直方向に貫通された貫通部である。端子口４１ａは、Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとのそれぞれの中間部分が、貫通方向に平行を成して挿通されている。図１０及び図１１では、Ｗ相出力端子２４ｃの場合を例示している。

【0074】

このような磁気コア４１は平面視でＣ字状を成していれば、平面視で、矩形状でも円形状でもよい。本実施の形態では、矩形状の場合を例示している。端子口４１ａの平面視の形状も同様に、矩形状または円形状のいずれでもよく、本実施の形態では、矩形状である場合を例示している。平面視で矩形状の磁気コア４１は縦ａ、高さｂ、横ｃであってよい。上面４０ａ及び下面４０ｂは縦ａ及び横ｃにより構成される。高さｂは、上面４０ａと下面４０ｂとの間隔でもある。この際、磁気コア４１の外形寸法は、高さｂが最も短い。縦ａ、横ｃの寸法は、高さｂよりも長ければ、特に限定されない。すなわち、磁気コア４１は、Ｗ相出力端子２４ｃの中間部分が挿通される端子口４１ａの貫通方向に平行を成す部分が最も短くなる。例えば、磁気コア４１が平面視で円形である場合には、縦ａと横ｃとは同じ長さであって直径となる。

【0075】

計測口４１ｂは、Ｃ字状を成す磁気コア４１の隙間である。計測口４１ｂは、当該隙間を構成する、対向する一対の対向面を含む。当該一対の対向面は、互いに平行を成し、平坦であってよい。計測口４１ｂの±Ｘ方向の幅（一対の対向面の間隔）は、後述するホール素子４２の幅程度であってよい。

【0076】

このような磁気コア４１は、天板３１に設けられた筐体２０の枠部２１内（外壁２１ｃ側）に、上面４０ａが枠部２１のおもて面側に、下面４０ｂが天板３１側をそれぞれ向いて設けられている。磁気コア４１は、このような枠部２１に対して、高さｂが天板３１の冷却面３１ｇに対する鉛直方向に平行を成して設けられている。また、本実施の形態では、磁気コア４１の計測口４１ｂは外壁２１ｃ側を向いている。なお、計測口４１ｂは、後述するホール素子４２に対する配線に応じて、外壁２１ｃに限らず、外壁２１ａ，２１ｂ，２１ｄのいずれを向いていてもよい。このような磁気コア４１は、外形寸法の最も短い部分が天板３１に対する鉛直方向（Ｚ方向）に平行となるように枠部２１に埋設されている。すなわち、磁気コア４１は、端子口４１ａの貫通方向が天板３１の冷却面３１ｇに対して鉛直を成すように枠部２１に埋設されている。

【0077】

このような磁気コア４１に対して、例えば、Ｗ相出力端子２４ｃは、ユニット収納部２１ｇから枠部２１内を外壁２１ｃに向かって、磁気コア４１の上面４０ａ側を上面４０ａに平行に延伸している。Ｗ相出力端子２４ｃの中間部分は－Ｚ方向に折れ曲がって、磁気コア４１の端子口４１ａを上面４０ａから下面４０ｂに通過する。Ｗ相出力端子２４ｃの他端部が下面４０ｂから突出する部分から外壁２１ｃに向かって、磁気コア４１の下面４０ｂ側を下面４０ｂに平行に通過して、外壁２１ｃから外側に延伸している。

【0078】

ホール素子４２は、磁気コア４１の計測口４１ｂに設けられている。なお、図示を省略するものの、ホール素子４２には、電圧を供給する電流源が電気的に接続され、また、発生した電流を外部に出力する配線が電気的に接続されている。ホール素子４２は、外部から磁束が通過されることで電流が流れる素子である。すなわち、ホール素子４２は、電圧が印加されている間に、外部から磁束が通過されると、電圧方向及び磁界方向にそれぞれに垂直な方向に電流が発生するというホール効果に基づき、電流を流す。このようなホール素子４２は、例えば、インジウムアンチモン、インジウムヒ素、ガリウムヒ素のいずれかを主成分として構成されている。なお、枠部２１には、計測口４１ｂに配置するホール素子４２を搭載するためのスリット（図示なし）が設けられている。

【0079】

磁気コア４１の端子口４１ａを挿通するＷ相出力端子２４ｃを出力電流が－Ｚ方向に通電する。これにより、磁気コア４１内を磁気コア４１に沿って磁束が発生する。磁束が計測口４１ｂを通過する際に、ホール素子４２も通過する。ホール素子４２は、電圧が印加されている間に、このような磁束が通過すると、ホール効果により電流が流れる。このような電流に基づいて、Ｗ相出力端子２４ｃを通電する電流量が検出される。

【0080】

ここで第１の実施の形態の半導体装置１に対する参考例について、図１２を用いて説明する。図１２は、参考例の半導体装置の断面図である。図１２に示す半導体装置１００は、第１の実施の形態の半導体装置１において、電流センサ４０を端子口４１ａの貫通方向が天板３１の冷却面３１ｇに平行になるように枠部２１に埋設されている。このため、Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとはユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇから天板３１の冷却面３１ｇに平行を成して外壁２１ｃに向けて延伸し、端子口４１ａ内を挿通している。半導体装置１００のその他の構成については、半導体装置１と同様である。

【0081】

このような半導体装置１００の枠部２１の±Ｚ方向の高さは、第１の実施の形態の半導体装置１の枠部２１の同方向の高さよりも大きくなっている。すなわち、半導体装置１００は、第１の実施の形態の半導体装置１よりも厚さが大きくなっている。

【0082】

上記の半導体装置１は、おもて面に主電極１２ｂである出力電極を備える半導体チップ１２と、半導体チップ１２が配置される絶縁回路基板１１と、主電極１２ｂに電気的に接続されるＵ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃと、絶縁回路基板１１が設けられる天板３１を含む冷却装置３と、筐体２０とを含む。筐体２０は、平面視で枠型を成し、開口されたユニット収納部２１ｅ～２１ｇに絶縁回路基板１１を収納して天板３１に配置され、Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとユニット収納部２１ｅ～２１ｇから挿通されて外部に延伸される枠部２１と枠部２１に埋設されて、Ｕ相出力端子２４ａとＶ相出力端子２４ｂとＷ相出力端子２４ｃとを通電する出力電流を検出する電流センサ４０とを含んでいる。電流センサ４０は、電流センサ４０の外形寸法の最も短い部分が天板３１に対する鉛直方向に平行を成して枠部２１に埋設されている。電流センサ４０を含む枠部２１を薄く構成することができるため、筐体２０の薄型化を図り、半導体装置１の小型化を図ることができる。

【0083】

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態の半導体装置１ａについて、図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は、第２の実施の形態の半導体装置の断面図である。図１４は、第２の実施の形態の半導体装置に含まれる冷却装置の斜視図である。

【0084】

半導体装置１ａは、第１の実施の形態の半導体装置１に含まれる冷却装置３の天板３１において、冷却領域３１ｂ（側壁３２の内側）の外側の枠部領域（後述する外枠部３１ｈ）が冷却領域３１ｂよりも－Ｚ方向に窪んでいる。

【0085】

すなわち、半導体装置１ａに含まれる冷却装置３ａの天板３１は、冷却部３１ｉと側部３２ａと外枠部３１ｈとを含んでいる。冷却部３１ｉは、第１の実施の形態の天板３１の側壁３２で囲まれる流路領域３１ａに対応している。冷却部３１ｉのおもて面は平坦である冷却面３１ｇであって、半導体ユニット１０ａ，１０ｂ，１０ｃが配置される。冷却部３１ｉの裏面（冷却底板３３に対向する面）には、第１の実施の形態と同様に複数の放熱フィン３４が設けられる。

【0086】

外枠部３１ｈは、側面視で、冷却部３１ｉよりも－Ｚ方向に窪んで、平坦を成している。したがって、外枠部３１ｈは、平面視で、冷却部３１ｉに対向する領域は開口している。側部３２ａは冷却部３１ｉの外周と外枠部３１ｈの開口とを連続して接続する。すなわち、冷却部３１ｉの裏面に形成された複数の放熱フィン３４は、側部３２ａにより囲まれている。側部３２ａは冷却部３１ｉ及び外枠部３１ｈに対して直角を成している。冷却部３１ｉと外枠部３１ｈとの段差の高さは、側部３２ａの高さに対応する。したがって、第２の実施の形態の天板３１の流路領域３１ａは冷却部３１ｉと側部３２ａとで画定される。このように画定される流路領域３１ａは、第１の実施の形態と同様に、冷却領域３１ｂと連通領域３１ｃ，３１ｄを含む。また、平面視で冷却部３１ｉ及び外枠部３１ｈの開口の形状は、図８で示したような８角形を成してもよい。この場合は、側部３２ａもまた平面視で冷却部３１ｉ及び外枠部３１ｈの開口の形状に沿って８角形を成す。

【0087】

また、冷却底板３３は、このような天板３１に取り付けられる。これにより、流路領域３１ａは冷却部３１ｉ及び側部３２ａと、さらに、冷却底板３３により囲まれる。なお、冷却底板３３は、天板３１に取り付けられた際に冷却領域３１ｂに含まれる連通領域３１ｃ，３１ｄに対応するように流出口３３ｂ及び流入口３３ａがそれぞれ形成される。

【0088】

このような冷却装置３ａの冷却部３１ｉの冷却面３１ｇ上に半導体ユニット１０ａ～１０ｃが、第１の実施の形態と同様に取り付けられている。また、半導体モジュール２の筐体２０に含まれる枠部２１のユニット収納部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇの裏側は、天板３１の冷却部３１ｉ及び側部３２ａが嵌合するように窪ませている。このような筐体２０の枠部２１の裏側に、冷却装置３ａの突出した冷却部３１ｉが嵌る。したがって、枠部２１は天板３１の外枠部３１ｈ上に配置されて、側部３２ａを取り囲む。また、枠部２１に埋設されている電流センサ４０は、天板３１の外枠部３１ｈに対する鉛直方向の上部に配置されている。

【0089】

このような半導体装置１ａの筐体２０もまた、第１の実施の形態と同様に、電流センサ４０の端子口４１ａが天板３１の鉛直方向に平行を成して埋設されている。このため、電流センサ４０を含む枠部２１を薄く構成することができる。さらに、半導体装置１ａの冷却装置３ａでは、天板３１の筐体２０が配置される外枠部３１ｈが冷却部３１ｉよりも下位に窪んでいる。このため、筐体２０及び冷却装置３ａの厚さを、第１の実施の形態の場合よりも薄くすることができる。したがって、半導体装置１ａに対して、第１の実施の形態の半導体装置１の場合よりもさらに小型化を図ることができる。

【符号の説明】

【0090】

１，１ａ 半導体装置
２ 半導体モジュール
３，３ａ 冷却装置
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 半導体ユニット
１１ 絶縁回路基板
１１ａ 絶縁板
１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３ 配線板
１１ｃ 金属板
１２ 半導体チップ
１２ａ 制御電極
１２ｂ 主電極
１３ａ，１３ｂ リードフレーム
１３ａ１，１３ｂ１ 主電極接合部
１３ａ２，１３ｂ２ 第１鉛直連係部
１３ａ３，１３ｂ３ 水平連係部
１３ａ４，１３ｂ４ 第２鉛直連係部
１３ａ５，１３ｂ５ 配線接合部
１４ａ，１４ｂ 接合部材
２０ 筐体
２１ 枠部
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ 外壁
２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ ユニット収納部
２１ｉ 貫通孔
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 第１接続端子
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 第２接続端子
２４ａ Ｕ相出力端子
２４ｂ Ｖ相出力端子
２４ｃ Ｗ相出力端子
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ 制御端子
２６ ワイヤ
３０ａ，３０ｃ 長辺
３０ｂ，３０ｄ 短辺
３０ｅ 貫通孔
３０ｅ１ 補強部
３１ 天板
３１ａ 流路領域
３１ｂ 冷却領域
３１ｃ，３１ｄ 連通領域
３１ｅ，３１ｆ 外縁領域
３１ｇ 冷却面
３１ｈ 外枠部
３１ｉ 冷却部
３２ 側壁
３２ａ 側部
３３ 冷却底板
３３ａ 流入口
３３ｂ 流出口
３３ｄ 底面
３４ 放熱フィン
３５ａ，３５ｂ ゴムパッキン
３６ａ，３６ｂ 配水ヘッド
３７ａ，３７ｂ 配水管
４０ 電流センサ
４０ａ 上面
４０ｂ 下面
４１ 磁気コア
４１ａ 端子口
４１ｂ 計測口
４２ ホール素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】