特許 7604347 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-13

(45)【発行日】2024-12-23

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20241216BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20241216BHJP

   H01L 27/04 20060101ALI20241216BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20241216BHJP

   H01L 27/06 20060101ALI20241216BHJP

   H01L 27/088 20060101ALI20241216BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241216BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20241216BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H01L27/04 H

H01L27/06 102A

H01L27/06 311Z

H01L27/088 Z

H01L25/04 C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021154194

(22)【出願日】2021-09-22

(65)【公開番号】P2023045654

(43)【公開日】2023-04-03

【審査請求日】2023-09-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】富田 悠志

【審査官】木下 直哉

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／０４３０８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１８７５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６２９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１７４１５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２１３５５３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／３４ －２３／４７３

Ｈ０１Ｌ ２１／８２２

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３４

Ｈ０１Ｌ ２７／０６

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１容器と、
前記第１容器内に固定された第２容器と、
前記第２容器内に設けられた半導体素子と、
を備え、
前記第２容器は、下部と、前記下部上に設けられ、第１絶縁体で覆われた第１金属部材を含む側部と、前記側部上に設けられ、前記第１容器に固定される上部と、を備え、
前記第２容器の前記下部及び前記側部は、前記第１容器と離間しており、
前記第２容器の前記上部は、
第２金属部材と、
前記第２金属部材上に設けられた第２絶縁体と、
を含み、
前記第１容器の外に設けられた第１端と、前記半導体素子に電気的に接続された第２端と、を有し、前記第１容器内の側部上及び前記第２容器内の前記側部上を延びる導電体を更に備える、
半導体装置。

【請求項2】

前記第１金属部材及び前記第２金属部材は、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）を含む、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１絶縁体は、アルミナを含む、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項4】

前記導電体のうち前記第２容器の前記上部上に設けられた第３絶縁体を更に備えた、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第２容器の下部は、銅（Ｃｕ）又はセラミックスを含む基板を含み、
前記導電体の第２端は、前記基板に接続された、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第１容器の側部は、第１穴及び第２穴を有する、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第１穴を介して前記第１容器と前記第２容器との間に冷媒を注入し、前記第２穴を介して前記第１容器と前記第２容器との間から前記冷媒を排出するように構成されたチラーを更に備えた、
請求項６記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高出力を実現する半導体装置として、パワーモジュールが知られている。パワーモジュールは、複数のパワー半導体が集積された１個のパッケージとして構成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６６９６３８０号公報

【文献】特許第６３８４６０９号公報

【文献】特許第５２７３１０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体装置の温度上昇を抑制する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の半導体装置は、第１容器と、上記第１容器内に固定された第２容器と、上記第２容器内に設けられた半導体素子と、を備える。上記第２容器は、下部と、側部と、上部と、を備える。上記側部は、上記下部上に設けられ、第１絶縁体で覆われた第１金属部材を含む。上記上部は、上記側部上に設けられ、上記第１容器に固定される。上記下部及び上記側部は、上記第１容器と離間している。上記第２容器の上記上部は、第２金属部材と、上記第２金属部材上に設けられた第２絶縁体と、を含む。上記第１容器の外に設けられた第１端と、上記半導体素子に電気的に接続された第２端と、を有し、上記第１容器内の側部上及び上記第２容器内の上記側部上を延びる導電体を更に備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る半導体装置の外部構造を示す斜視図。

【図2】第１実施形態に係る半導体装置の回路構成の一例を示す回路図。

【図3】第１実施形態に係る半導体装置の断面構造の一例を示す、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図。

【図4】第１実施形態に係る半導体装置の断面構造の一例を示す、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図。

【図5】第１実施形態に係る半導体装置における放熱動作の一例を示す模式図。

【図6】第１実施形態に係る半導体装置における放熱動作の一例を示す模式図。

【図7】第２実施形態に係る半導体装置の断面構造の一例を示す断面図。

【図8】変形例に係る半導体装置における放熱動作の一例を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、実施形態について図面を参照して説明する。図面の寸法及び比率は、必ずしも現実のものと同一とは限らない。

【0008】

なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付す。同様の構成を有する要素同士を特に区別する場合、同一符号の末尾に、互いに異なる文字又は数字を付加する場合がある。

【0009】

１． 第１実施形態
第１実施形態に係る半導体装置について説明する。

【0010】

第１実施形態に係る半導体装置は、パワーモジュールである。第１実施形態に係る半導体装置は、例えば、鉄道車両用の電力変換装置、又は再生可能エネルギー発電システム用の産業用機器等に適用される。

【0011】

１．１ 構成
第１実施形態に係る半導体装置の構成について説明する。

【0012】

１．１．１ 外部構造
まず、第１実施形態に係る半導体装置の外部構造について説明する。

【0013】

図１は、第１実施形態に係る半導体装置の外部構造の一例を示す斜視図である。半導体装置１は、外部容器として、外側ベース基板１０、外側ケース１１、並びに外側蓋１２及び１３を備える。半導体装置１の外部容器は、半導体装置１の内部容器（図示せず）を収容する。半導体装置１の内部容器内には、半導体素子を含む回路構成（図示せず）が収容される。

【0014】

外側ベース基板１０は、平板状の部分を有する支持体である。外側ベース基板１０は、半導体装置１の外部容器の下部に対応する。外側ベース基板１０は、例えば、四隅にネジ穴を有する。外側ベース基板１０は、ネジ穴を介して、半導体装置１の外部の機器（図示せず）に対して固定されることができる。外側ベース基板１０は、例えば、銅（Ｃｕ）又はセラミックスを含む。銅（Ｃｕ）を含む場合、外側ベース基板１０は、防錆メッキされていることが望ましい。

【0015】

外側ベース基板１０の上面上に、外側ケース１１が設けられる。外側ケース１１は、角筒状の部分を有する絶縁体である。外側ケース１１は、半導体装置１の外部容器の側部に対応する。外側ケース１１は、外側ベース基板１０に対して固定される。外側ケース１１は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ：Poly-Phenylene Sulfide）を含む。

【0016】

外側ケース１１の上面上に、外側蓋１２及び１３が設けられる。外側蓋１２及び１３は、平板状の部分を有する絶縁体である。外側蓋１２及び１３は、半導体装置１の外部容器の上部に対応する。外側蓋１２及び１３は、外側ケース１１に対して固定される。外側蓋１２及び１３は、例えば、ＰＰＳを含む。

【0017】

以上のような外側ベース基板１０、外側ケース１１、並びに外側蓋１２及び１３が組み立てられることによって、外部容器の内部には、内部容器を配置するための空間が形成される。以下の説明では、外側ベース基板１０と外側ケース１１との接触面に平行な平面を、ＸＹ平面とする。ＸＹ平面内において、外側ベース基板１０の長辺方向及び短辺方向を、それぞれＸ方向及びＹ方向とする。外側ベース基板１０に対する外側ケース１１の延伸方向を、Ｚ方向又は上方向とする。

【0018】

また、半導体装置１は、複数の端子４１ａ、４２ａ、４３ａ、及び４４ａを更に備える。

【0019】

複数の端子４１ａ～４４ａはそれぞれ、半導体装置１の外部の機器と、内部の回路構成と、の間を電気的に接続するブスバー（図示せず）の端部である。図１の例では、２個の端子４１ａ、２個の端子４２ａ、３個の端子４３ａ、及び８個の端子４４ａが示される。

【0020】

２個の端子４１ａは、Ｐ（Positive）端子である。２個の端子４１ａは、互いに電気的に接続される。２個の端子４１ａは、外側ケース１１と外側蓋１３との間にＹ方向に並んで配置される。

【0021】

２個の端子４２ａは、Ｎ（Negative）端子である。２個の端子４２ａは、互いに電気的に接続される。２個の端子４２ａは、外側蓋１２と外側蓋１３との間にＹ方向に並んで配置される。

【0022】

３個の端子４３ａは、ＡＣ（Alternating Current）端子である。３個の端子４３ａは、互いに電気的に接続される。３個の端子４３ａは、外側ケース１１と外側蓋１２との間にＹ方向に並んで配置される。

【0023】

８個の端子４４ａは、制御端子及びモニタ端子である。制御端子は、例えば、半導体装置１の回路構成に含まれる半導体素子を駆動するか否かを制御するための端子である。モニタ端子は、例えば、半導体装置１の回路構成の電気的特性をモニタするための端子である。８個の端子４４ａは、互いに電気的に絶縁される。８個の端子４４ａは、外側蓋１２のＸ方向に沿って対向する２辺上にそれぞれ４個ずつ配置される。

【0024】

１．１．２ 回路構成
次に、第１実施形態に係る半導体装置の回路構成について説明する。

【0025】

図２は、第１実施形態に係る半導体装置の回路構成の一例を示す回路図である。図２の例では、半導体装置１は、内部の半導体素子として、トランジスタＴｕｐ及びＴｌｏｗを含む場合が示される。

【0026】

トランジスタＴｕｐ及びＴｌｏｗは、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタである。トランジスタＴｕｐ及びＴｌｏｗは、ｎ型トランジスタである。トランジスタＴｕｐ及びＴｌｏｗは、直列に接続される。

【0027】

具体的には、トランジスタＴｕｐは、ノードＰに接続されたドレイン端と、ノードＡＣに接続されたソース端と、ノードＧ１に接続されたゲート端と、を有する。トランジスタＴｌｏｗは、ノードＡＣに接続されたドレイン端と、ノードＮに接続されたソース端と、ノードＧ２に接続されたゲート端と、を有する。ノードＰ、Ｎ、ＡＣはそれぞれ、端子４１ａ、４２ａ、及び４３ａに対応する。ノードＧ１及びＧ２はそれぞれ、端子４４ａのうちの互いに異なる２個の制御端子に対応する。

【0028】

以上のような構成により、半導体装置１の内部の半導体素子を、半導体装置１の外部から供給される電圧によって制御することができる。

【0029】

なお、半導体装置１の回路構成は、図２の例に限られない。例えば、トランジスタＴｕｐ及びＴｌｏｗは、ＩＧＢＴ（Insulated-Gate Bipolar Transistor）であってもよい。また、図２の例では、トランジスタＴｕｐ及びＴｌｏｗがそれぞれ１個ずつ示されるが、これに限られない。例えば、トランジスタＴｕｐ及びＴｌｏｗの各々は、互いに並列に接続された複数のトランジスタによって構成されていてもよい。

【0030】

１．１．３ 断面構造
次に、第１実施形態に係る半導体装置の断面構造について説明する。

【0031】

図３は、第１実施形態に係る半導体装置の断面構造の一例を示す、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図４は、第１実施形態に係る半導体装置の断面構造の一例を示す、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。図３及び図４はそれぞれ、互いに交差する２つの面に沿った、半導体装置１の断面を示す。

【0032】

半導体装置１は、内部容器として、内側ベース基板２０、放熱部材２１、内側ケース２２、絶縁膜２３、内側蓋２４、及び絶縁膜２５を更に備える。また、半導体装置１は、内部容器内の構造として、複数の接着部材３１、複数の配線３２、複数の絶縁基板３３、複数の配線３４、複数の接着部材３５、複数の半導体素子３６、複数のワイヤ３７、及び封止部材３８を更に備える。複数の接着部材３１は、接着部材３１－１及び３１－２を含む。複数の配線３２は、配線３２－１及び３２－２を含む。複数の絶縁基板３３は、絶縁基板３３－１及び３３－２を含む。複数の配線３４は、配線３４－１、３４－２、３４－３、及び３４－４を含む。複数の接着部材３５は、接着部材３５－１、３５－２、３５－３、及び３５－４を含む。複数の半導体素子３６は、半導体素子３６－１、３６－２、及び３６－３を含む。複数のワイヤ３７は、ワイヤ３７－１及び３７－２を含む。また、半導体装置１は、複数のブスバー４１、４２、及び４３、並びに複数の保護膜４５、４６、及び４７を更に備える。また、半導体装置１は、注入部５１及び排出部５２を更に備える。

【0033】

まず、半導体装置１の内部容器について説明する。

【0034】

内側ベース基板２０は、平板状の部分を有する導電体である。内側ベース基板２０は、半導体装置１の内部容器の下部に対応する。内側ベース基板２０は、半導体装置１の外部容器内の空間において、半導体装置１の外部容器に接することなく、ＸＹ平面内に広がる。内側ベース基板２０は、例えば、銅（Ｃｕ）又はセラミックスを含む。銅（Ｃｕ）を含む場合、内側ベース基板２０は、防錆メッキされていることが望ましい。内側ベース基板２０の電位は、グラウンドレベル（例えば０Ｖ）に接地される。

【0035】

内側ベース基板２０の下面上には、放熱部材２１が設けられる。放熱部材２１は、ヒートシンクである。放熱部材２１は、下面に凹凸を有することにより、比較的大きな表面積を有する。放熱部材２１は、例えば、銅（Ｃｕ）又はセラミックスを含む。銅（Ｃｕ）を含む場合、放熱部材２１は、防錆メッキされていることが望ましい。放熱部材２１は、内側ベース基板２０と一体に形成されてもよい。

【0036】

内側ベース基板２０の上面上には、内側ケース２２が設けられる。内側ケース２２は、角筒状の部分を有する金属である。内側ケース２２は、半導体装置１の内部容器の側部に対応する。内側ケース２２は、内側ベース基板２０に対して固定される。内側ケース２２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）を含む。

【0037】

絶縁膜２３は、内側ケース２２を覆う。内側ケース２２がアルミニウム（Ａｌ）の場合、絶縁膜２３は、例えば、内側ケース２２がアルマイト処理されることによって形成される。この場合、絶縁膜２３は、例えば、アルミナを含む。

【0038】

内側ケース２２の上面上に、内側蓋２４が設けられる。内側蓋２４は、平板状の部分を有する金属である。内側蓋２４は、半導体装置１の内部容器の上部に対応する。内側蓋２４は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）を含む。内側蓋２４は、外側ケース１１及び内側ケース２２に対して固定される。図３の例では、平面視において、内側蓋２４の外縁は、外側ケース１１の内縁よりも外側に位置する。

【0039】

絶縁膜２５は、内側蓋２４を覆う。内側蓋２４がアルミニウム（Ａｌ）の場合、絶縁膜２５は、例えば、内側蓋２４がアルマイト処理されることによって形成される。この場合、絶縁膜２５は、例えば、アルミナを含む。

【0040】

以上のような内側ベース基板２０、内側ケース２２、並びに内側蓋２４が組み立てられることによって、内部容器が形成される。内部容器は、外部容器に対して、内側蓋２４を介して固定される。すなわち、内部容器は、下部と、下部上に設けられた側部と、側部上に設けられて外部容器に固定される上部と、を備える。内部容器の下部は、内側ベース基板２０及び放熱部材２１を含む。内部容器の側部は、絶縁膜２３で覆われた内側ケース２２を含む。内部容器の上部は、絶縁膜２５で覆われた内側蓋２４を含む。

【0041】

外部容器内の空間は、内側蓋２４によって、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２とに分離される。空間ＳＰ１は、内側蓋２４よりも上方の空間である。空間ＳＰ２は、内側蓋２４よりも下方の空間である。空間ＳＰ２は、空間ＳＰ２ａと空間ＳＰ２ｂとに更に分離される。

【0042】

空間ＳＰ２ａは、空間ＳＰ２のうち、内部容器の外（すなわち、内部容器の下方及び側方）の空間である。具体的には、空間ＳＰ２ａは、外側ベース基板１０、外側ケース１１、内側蓋２４、内側ケース２２、内側ベース基板２０、及び放熱部材２１によって囲まれる。つまり、内側ベース基板２０及び放熱部材２１と外部容器とは、離間している。同様に、内側ケース２２及び絶縁膜２３と外部容器とは、離間している。空間ＳＰ２ａの幅（すなわち、内側ケース２２と外側ケース１１との間の距離、及び放熱部材２１と外側ベース基板１０との間の距離）は、例えば、３ミリメートル以上３０ミリメートル以下となることが望ましい。

【0043】

空間ＳＰ２ｂは、空間ＳＰ２のうち、内部容器内の空間である。具体的には、空間ＳＰ２ｂは、内側蓋２４、内側ケース２２、及び内側ベース基板２０によって囲まれる。

【0044】

内部容器及び外部容器を構成する部材間の隙間は、空間ＳＰ２ａから空間ＳＰ１及びＳＰ２ｂに液体が漏れないように、封止される。つまり、内部容器及び外部容器は、空間ＳＰ２ａと空間ＳＰ１及びＳＰ２ｂとを液密又は気密に分離する。

【0045】

続いて、空間ＳＰ２ｂ内の構造について説明する。

【0046】

内側ベース基板２０の上面上には、接着部材３１－１及び３１－２を介して、それぞれ配線３２－１及び３２－２が設けられる。接着部材３１－１及び３１－２は、例えば、はんだである。接着部材３１－１及び３１－２はそれぞれ、配線３２－１と内側ベース基板２０との間、及び配線３２－２と内側ベース基板２０との間を物理的かつ電気的に接続する。配線３２－１及び３２－２は、グラウンドレベル（例えば０Ｖ）に接地される。配線３２－１及び３２－２は、例えば、銅（Ｃｕ）を含む。

【0047】

配線３２－１の上面上、及び配線３２－２の上面上にはそれぞれ、絶縁基板３３－１及び３３－２が設けられる。絶縁基板３３－１及び３３－２は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）を含む。

【0048】

絶縁基板３３－１の上面上、及び絶縁基板３３－２の上面上にはそれぞれ、配線３４－１、並びに配線３４－２、３４－３、及び３４－４が設けられる。配線３４－１～３４－４は、半導体装置１の導電経路である。具体的には、例えば、配線３４－１及び３４－４は、ノードＰに電気的に接続される。配線３４－２は、例えば、ノードＡＣに電気的に接続される。配線３４－３は、例えば、ノードＮに電気的に接続される。配線３４－１～３４－４は、例えば、銅（Ｃｕ）を含む。

【0049】

配線３４－１の上面上、及び配線３４－２の上面上にはそれぞれ、接着部材３５－１及び３５－２を介して、半導体素子３６－１及び３６－２が設けられる。接着部材３５－１及び３５－２は、例えば、銀（Ａｇ）焼結材である。接着部材３５－１及び３５－２はそれぞれ、配線３４－１と半導体素子３６－１との間、及び配線３４－２と半導体素子３６－２との間を物理的かつ電気的に接続する。半導体素子３６－１及び３６－２はそれぞれ、例えば、トランジスタＴｕｐ及びＴｌｏｗである。半導体素子３６－１の下面、及び半導体素子３６－２の下面はそれぞれ、トランジスタＴｕｐのドレイン端、及びトランジスタＴｌｏｗのドレイン端に対応する。すなわち、配線３４－１は、ノードＰとトランジスタＴｕｐのドレイン端との間を電気的に接続する。配線３４－２は、ノードＡＣとトランジスタＴｌｏｗのドレイン端との間を電気的に接続する。

【0050】

配線３４－３の上面上、及び配線３４－４の上面上にはそれぞれ、接着部材３５－３及び３５－４が設けられる。接着部材３５－３及び３５－４は、例えば、はんだである。半導体素子３６－３は、接着部材３５－３及び３５－４をそれぞれ介して、配線３４－３と配線３４－４との間を接続する。半導体素子３６－３は、サーミスタである。半導体素子３６－３は、ノードＰとノードＮとの間の電位差に基づき、半導体装置１の温度状態をモニタする。

【0051】

ワイヤ３７－１及び３７－２は、ボンディングワイヤである。ワイヤ３７－１は、半導体素子３６－１の上面上に接続された第１端と、配線３４－２に接続された第２端と、を有する。半導体素子３６－１の上面のうちワイヤ３７－１が接続された部分は、トランジスタＴｕｐのソース端に対応する。これにより、ワイヤ３７－１は、トランジスタＴｕｐのソース端とノードＡＣとの間を電気的に接続する。ワイヤ３７－２は、半導体素子３６－２の上面上に接続された第１端と、配線３４－３に接続された第２端と、を有する。半導体素子３６－２の上面のうちワイヤ３７－２が接続された部分は、トランジスタＴｌｏｗのソース端に対応する。これにより、ワイヤ３７－２は、トランジスタＴｌｏｗのソース端とノードＮとの間を電気的に接続する。

【0052】

封止部材３８は、ゲル状の絶縁体である。封止部材３８は、空間ＳＰ２ｂ内に充填される。

【0053】

複数のブスバー４１～４３は、半導体装置１の外部の機器と、内部の回路構成との間を電気的に接続する導電体である。複数のブスバー４１～４３は、空間ＳＰ１及びＳＰ２ｂ内を延伸する。複数のブスバー４１～４３は、例えば、銅（Ｃｕ）を含む。

【0054】

具体的には、ブスバー４１は、端部として端子４１ａと、接続部４１ｂと、を有する。ブスバー４１は、接続部４１ｂを介して、配線３４－４に接続される。ブスバー４１のうち空間ＳＰ２ｂ内の部分は、内側ケース２２（絶縁膜２３）のＹＺ面に接するように設けられる。ブスバー４１のうち空間ＳＰ１内の部分は、保護膜４５によって覆われる。保護膜４５は、例えば、ゴムキャップである。保護膜４５は、ブスバー４１を水分から保護する。保護膜４５は、絶縁性を有していてもよい。

【0055】

ブスバー４２は、端部として端子４２ａと、接続部４２ｂと、を有する。ブスバー４２は、接続部４２ｂを介して、配線３４－３に接続される。ブスバー４２のうち空間ＳＰ２ｂ内の部分は、内側ケース２２（絶縁膜２３）のＸＺ面に接するように設けられる。ブスバー４２のうち空間ＳＰ１内の部分は、保護膜４６によって覆われる。保護膜４６は、例えばゴムキャップである。保護膜４６は、ブスバー４２を水分から保護する。保護膜４６は、絶縁性を有していてもよい。

【0056】

ブスバー４３は、端部として端子４３ａと、接続部４３ｂと、を有する。ブスバー４３は、接続部４３ｂを介して、配線３４－２に接続される。ブスバー４３のうち空間ＳＰ２ｂ内の部分は、内側ケース２２（絶縁膜２３）のＹＺ面に接するように設けられる。ブスバー４３のうち空間ＳＰ１内の部分は、保護膜４７によって覆われる。保護膜４７は、例えばゴムキャップである。保護膜４７は、ブスバー４３を水分から保護する。保護膜４７は、絶縁性を有していてもよい。

【0057】

なお、図３及び図４では図示が省略されるが、半導体装置１は、複数の端子４４ａにそれぞれ対応する複数のブスバーを更に備える。図示されない複数のブスバーの各々のうち空間ＳＰ２ｂ内の部分は、内側ケース２２（絶縁膜２３）の一面に接するように設けられてもよい。図示されない複数のブスバーの各々のうち空間ＳＰ１内の部分は、絶縁膜（図示せず）によって覆われてもよい。

【0058】

外側ケース１１は、半導体装置１の外と空間ＳＰ２ａとをつなぐ穴を有する。注入部５１は、外側ケース１１の当該穴に設けられる。注入部５１は、半導体装置１の外部から、空間ＳＰ２ａ内に冷媒（図示せず）を注入するための機構を有する。注入部５１は、空間ＳＰ２ａへ冷媒の注入をしない場合、冷媒が半導体装置１の外部へ流出しないための栓として機能する。

【0059】

外側ベース基板１０は、半導体装置１の外と空間ＳＰ２ａとをつなぐ穴を有する。排出部５２は、外側ベース基板１０の当該穴に設けられる。排出部５２は、空間ＳＰ２ａから、半導体装置１の外部に冷媒を排出する機構を有する。排出部５２は、空間ＳＰ２ａからの冷媒の排出をしない場合、冷媒が半導体装置１の外部へ流出しないための栓として機能する。

【0060】

冷媒は、例えば、水である。冷媒は、例えば、空気より高い熱輸送特性（例えば、熱伝導率）を有する。なお、冷媒は、流動性を有し、かつ内部容器内の構造の熱を外部に放熱し得る物質であれば、水に限られない。また、冷媒は、液体に限られず、気体であってもよい。

【0061】

上述のとおり、半導体装置１の外部容器内の空間は、３つの空間ＳＰ１、ＳＰ２ａ、及びＳＰ２ｂに分離される。このため、空間ＳＰ２ａ内に冷媒が充填された場合、空間ＳＰ１及びＳＰ２ｂ内には、冷媒は浸入しない。空間ＳＰ１内は、空気で満たされる。空間ＳＰ２ｂ内は、封止部材３８で満たされる。

【0062】

１．２ 放熱動作
次に、第１実施形態に係る半導体装置の放熱動作について説明する。

【0063】

図５及び図６は、第１実施形態に係る半導体装置の放熱動作の一例を示す模式図である。図５及び図６はそれぞれ、図３及び図４に対応する。

【0064】

まず、半導体装置１内の回路構成を動作させる前に、冷媒５０が、注入部５１を介して空間ＳＰ２ａ内に注入される。冷媒５０が注入される間、排出部５２は、閉じた状態にしておく。これにより、空間ＳＰ２ａ内に、冷媒５０が充填される。

【0065】

続いて、半導体装置１内の回路構成を動作させる。具体的には、半導体装置１の外部の機器と、複数の端子４１ａ～４４ａとを接続する。そして、複数の端子４１ａ～４４ａを介して、半導体装置１内の回路構成に所定の電圧を印加する。

【0066】

半導体装置１内の回路構成が動作することにより、複数の半導体素子３６は、発熱する。複数の半導体素子３６から発生した熱Ｑは、複数の接着部材３５、複数の配線３４、複数の絶縁基板３３、複数の配線３２、複数の接着部材３１、内側ベース基板２０、及び放熱部材２１を介して、冷媒５０に放熱される。

【0067】

また、複数の半導体素子３６から発生した熱は、複数の配線３４を介して、複数のブスバー４１～４４を発熱させる。ここで、複数のブスバー４１～４４は、絶縁膜２３を介して内側ケース２２に接する。このため、複数のブスバー４１～４４から発生した熱Ｑは、絶縁膜２３、内側ケース２２を介して、冷媒５０に放熱される。

【0068】

冷媒５０が所定の温度まで上昇すると、排出部５２は、冷媒５０を半導体装置１の外に排出する。そして、注入部５１を介して、新たな冷媒が空間ＳＰ２ａ内に再び充填される。

【0069】

以上のように動作することにより、半導体装置１の回路構成から発生する熱Ｑを、冷媒５０に効率的に放熱することができる。

【0070】

１．３ 本実施形態に係る効果
第１実施形態によれば、半導体装置１の温度上昇を抑制することができる。本効果について以下に説明する。

【0071】

半導体装置１は、外側ベース基板１０と、外側ケース１１と、外側蓋１２及び１３と、によって形成される外部容器を備える。半導体装置１は、内側ベース基板２０と、内側ケース２２と、内側蓋２４と、によって形成される内部容器を備える。内部容器は、外部容器内に固定される。外部容器内の空間は、内部容器の上方かつ内部容器の外の空間ＳＰ１と、内部容器の側方及び下方かつ内部容器の外の空間ＳＰ２ａと、内部容器の中の空間ＳＰ２ｂと、に分離される。これにより、外部容器と内部容器の側部及び下部との間の空間ＳＰ２ａを、冷媒５０を充填するための空間として使用することができる。

【0072】

また、複数の半導体素子３６は、外部容器内に設けられる。これにより、複数の半導体素子３６から外部容器の下部（すなわち内側ベース基板２０）に伝わる熱Ｑを、放熱部材２１を介して、空間ＳＰ２ａ内の冷媒５０に放熱することができる。

【0073】

また、複数のブスバー４１～４４のうち、空間ＳＰ２ｂ内の部分は、内側ケース２２に、絶縁膜２３を介して接する。これにより、複数の半導体素子３６から複数のブスバー４１～４４に伝わる熱Ｑを、封止部材３８を介することなく、内側ケース２２を介して、空間ＳＰ２ａ内の冷媒５０に放熱することができる。

【0074】

また、内側ケース２２は、金属部材であり、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）を含む。これに対して、絶縁膜２３は、絶縁体であり、例えばアルミナを含む。これにより、内側ケース２２の熱伝導率をＰＰＳ等の樹脂よりも高くしつつ、複数のブスバー４１～４４と内側ケース２２とを電気的に絶縁することができる。

【0075】

また、複数のブスバー４１～４４のち、空間ＳＰ１内の部分は、保護膜４５～４７によって覆われる。これにより、仮に空間ＳＰ２ａ内に充填された冷媒５０が空間ＳＰ１内に浸入した場合でも、冷媒５０による複数のブスバー４１～４４の浸食の影響を抑えることができる。

【0076】

また、外側ケース１１及び外側ベース基板１０はそれぞれ、半導体装置１の外部と空間ＳＰ２ａとの間をつなぐ穴を有する。そして、外側ケース１１の穴、外側ベース基板１０の穴にはそれぞれ、注入部５１及び排出部５２が設けられる。これにより、空間ＳＰ２ａ内への冷媒５０の注入、及び空間ＳＰ２ａ外への冷媒５０の排出が可能となる。したがって、半導体装置１の温度上昇を抑制することができる。

【0077】

２． 第２実施形態
次に、第２実施形態に係る半導体装置について説明する。

【0078】

第２実施形態に係る半導体装置は、少なくとも１本のブスバーの接続部が、配線以外の場所に接続される点において、第１実施形態に係る半導体装置と異なる。以下では、第１実施形態と異なる構成及び動作について主に説明する。第１実施形態と同等の構成及び動作については、適宜その説明を省略する。

【0079】

２．１ 半導体装置の断面構造
図７は、第２実施形態に係る半導体装置の断面構造の一例を示す断面図である。図７は、第１実施形態における図４に対応する。

【0080】

第２実施形態に係る半導体装置は、ブスバー４２に代えて、ブスバー４２’を備える。ブスバー４２’は、空間ＳＰ１及びＳＰ２ｂ内を延伸する。ブスバー４２’は、例えば、銅（Ｃｕ）を含む。ブスバー４２’は、端部として端子４２ａと、接続部４２’ｂと、を有する。ブスバー４２’は、接続部４２’ｂを介して、内側ベース基板２０に接続される。ブスバー４２’のうち空間ＳＰ２ｂ内の部分は、内側ケース２２（絶縁膜２３）のＸＺ面に接するように設けられる。ブスバー４２’のうち空間ＳＰ１内の部分は、保護膜４６によって覆われる。

【0081】

２．２ 本実施形態に係る効果
第２実施形態によれば、ブスバー４２’の接続部４２’ｂは、内側ベース基板２０に接続される。これにより、半導体装置１は、ノードＮをグラウンドレベルに接地することができる。また、複数の半導体素子３６が複数の絶縁基板３３の上方に位置するのに対して、内側ベース基板２０は、複数の絶縁基板３３の下方に位置する。これにより、半導体装置１の回路構成を流れる電流のうち、ノードＰに近い部分の電流経路と、ノードＮに近い部分の電流経路とを、複数の絶縁基板３３に対して反対の位置に設けることができる。このため、ノードＰに近い部分の電流経路において発生する磁界と、ノードＮに近い部分の電流経路において発生する磁界と、を互いに打ち消すようにすることができる。したがって、半導体装置１の回路構成の自己インダクタンスを減少させることができる。

【0082】

３． 変形例等
なお、第１実施形態及び第２実施形態は、上述の例に限らず、種々の変形を適用可能である。

【0083】

例えば、上述した第１実施形態及び第２実施形態では、排出部５２が外側ベース基板１０に設けられる場合について説明したが、これに限られない。

【0084】

図８は、変形例に係る半導体装置の放熱動作の一例を示す断面図である。図８は、第１実施形態における図５に対応する。

【0085】

放熱動作に際して、半導体装置１は、チラー６０に接続されてもよい。

【0086】

チラー６０は、注入路６１に接続された第１端と、排出路６２を接続された第２端と、を有する。チラー６０は、第２端から入力された冷媒５０を冷却する。そして、チラー６０は、冷却された冷媒５０を第１端から出力する。注入路６１及び排出路６２はそれぞれ、半導体装置１の注入部５１及び排出部５２に接続される。

【0087】

チラー６０に接続された後、チラー６０によって空間ＳＰ２ａ内に冷媒５０が充填される。冷媒５０は、半導体装置１の回路構成が動作している間、チラー６０と空間ＳＰ２ａとの間を循環する。これにより、複数の半導体素子３６の熱Ｑを吸収した冷媒５０を、チラー６０によって下げることができる。このため、複数の半導体素子３６の熱Ｑを効率よく吸収することができる。したがって、半導体装置１の温度上昇を抑制することができる。

【0088】

本発明のいくつかの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り、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、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、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

【符号の説明】

【0089】

１…半導体装置、１０…外側ベース基板、１１…外側ケース、１２，１３…外側蓋、２０…内側ベース基板、２１…放熱部材、２２…内側ケース、２３，２５…絶縁膜、２４…内側蓋、３１，３５…接着部材、３２，３４…配線、３３…絶縁基板、３６…半導体素子、３７…ワイヤ、３８…封止部材、４１，４２，４３…ブスバー、４５，４６，４７…保護膜、５０…冷媒、５１…注入部、５２…排出部、６０…チラー、６１…注入路、６２…排出路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】