以下、本発明の半導体装置を適用した実� ��の形態について説明する。

 [実施の形態1]
 図1は、実施の形態1の半導体装置が用いら� �る回路構成を示す図である。実施の形態1の� ��導体装置は、例えば、車両の駆動をアシス� ��するための電動機30と、この電動機30とは別 に設けられ、エンジンによって駆動されて発 電を行う発電機31を含むハイブリッド車両の� ��力変換回路に用いられる。

 この電力変換回路は、バッテリ1、リアク トル2、昇降圧コンバータ3、平滑コンデンサ4 、アシスト用の電動機30の駆動制御を行うた� ��のインバータ5、及び発電機31で発電される� ��流電力を直流電力に変換するためのコンバ� ��タ6を含む。この電力変換回路において、イ ンバータ5とコンバータ6は直流伝送路7に接続 されている。

 昇降圧コンバータ3は、昇圧用と降圧用の IGBT10及びダイオード20を1組ずつ含むハーフブ リッジ回路であり、バッテリ1の充電率や電� �機30及び発電機31の駆動状態に応じて、直流� ��送路7の電圧値を昇圧(バッテリ1の放電)又は 降圧(バッテリ1の充電)するための制御を行う 。なお、昇圧用のIGBT10及びダイオード20は、� ��中下側の組であり、降圧用のIGBT10及びダイ� ��ード20は、図中上側の組である。

 また、図1には、昇圧用と降圧用のIGBT10及 びダイオード20を1組ずつ含む昇降圧コンバー タ3を示すが、IGBT10及びダイオード20の定格や 電力変換回路で取り扱う電力に応じて複数組 ずつ並列接続してもよい。

 インバータ5は、アシスト用の電動機30を� ��相駆動するためのIGBTとダイオード20を6組含 む三相インバータ回路であり、エンジンの負 荷状態やバッテリ1の充電状態に応じてアシ� �ト用の電動機30の駆動制御を行う。なお、図 1には、IGBT10及びダイオード20を6組含むイン� �ータ5を示すが、IGBT10及びダイオード20の定� �や電力変換回路で取り扱う電力に応じて、� �のようなインバータ5を複数並列接続しても� ��い。

 コンバータ6は、発電機31によって発電さ� ��る交流電力を直流電力に変換するためのIGBT とダイオード20を6組含む三相コンバータ回路 であり、エンジンの負荷状態やバッテリ1の� �電状態に応じて発電機31の駆動制御を行う。 なお、図1には、IGBT10及びダイオード20を6組� �むコンバータ6を示すが、IGBT10及びダイオー� ��20の定格や電力変換回路で取り扱う電力に� �じて、このようなコンバータ6を複数並列接� ��してもよい。

 このように、昇降圧コンバータ3、インバ ータ5、及びコンバータ6には、IGBT10及びダイ� ��ード20が複数組含まれている。昇降圧コン� �ータ3、インバータ5、及びコンバータ6は、� �々が複数組のIGBT10及びダイオード20を含む電 力変換装置群としてモジュール化されており 、各モジュール(電力変換装置群)は、IGBT10の� ��イッチングノイズの外部への漏洩を防ぐた� ��に、電磁波を遮蔽可能な筐体に収納されて� ��る。筐体やその他の構成については図2及び 図3を用いて説明する。

 なお、ハイブリッド車両の冷却系は、エ� ��ジンを冷却するための冷却系(冷却水温度の 上限は95℃)と、昇降圧コンバータ3、インバ� �タ5、又はコンバータ6を冷却するための冷却 系(冷却水温度の上限は65℃)とを含む。

 図2は、実施の形態1の半導体装置の断面� �造を示す図である。ここでは、半導体装置� �、Si半導体素子で構成されるIGBT10と、Si半導� ��素子よりも熱膨張率が小さく、熱伝導率が� ��く、耐熱性の高いSiC半導体素子で構成され� ��ダイオード10とを含み、IGBT10よりもダイオ� �ド20の方が放熱量の多い動作環境で用いられ る場合について説明する。

 なお、Si半導体素子の耐熱温度は約175℃� �SiC半導体素子の耐熱温度は約250℃である。

 この半導体装置は、冷却器100、冷却器100� ��上に熱的に絶縁されて搭載される放熱板110� ��び120、放熱板110及び120の上に半田111及び121� ��よって接続される絶縁基板112及び122、絶縁� ��板112及び122の上に搭載される導電基材113及� ��123、及び、導電基材113及び123の上に半田114� ��び124によって接続されるIGBT10及びダイオー� ��20を備える。

 また、導電基材113と123の間は、半田114a、 124a、及び接続板130を介して電気的に接続さ� �ており、この接続板130によって電気的に接� �されることにより、IGBT10とダイオード20は、 図1に示すように1組として接続されている。

 冷却器100は、冷却水が通流する流路100Aを 内部に有し、IGBT10及びダイオード20から放熱� ��110及び120を介して放出される熱量を吸収し� ��冷却するための装置である。流路100Aの詳細 については後述するが、図2に断面を示す二� �の流路100Aは繋がっており、IGBT10よりも放熱� ��の多いダイオード20の方が下流側に位置す� �ように配置される。

 ここで、図2に示すIGBT10及びダイオード20� ��流路100Aの位置関係は一例であり、IGBT10より もダイオード20の方が下流側に位置するよう� ��配置されるのであれば、IGBT10及びダイオー� ��20に対する流路100Aの幅方向(図2中横方向)の� ��置は、図2に示す位置に限られるものではな い。

 なお、冷却器100の流路100Aに通流する冷却 水は、図1に示す昇降圧コンバータ3、インバ� ��タ5、又はコンバータ6を冷却するための冷� �水(冷却水温度の上限は、例えば、65℃)であ� ��。

 図2に示す放熱板110及び120は、例えば、熱 伝導率及び熱膨張率の制御が容易なアルミ炭 素珪素(AlSiC)、又は銅モリブデン(Cu-Mo)で構成� ��れる放熱板である。この放熱板110及び120は� ��冷却器100の上に搭載される。この放熱板110� ��120の幅(図中における幅)は同一に設定され� �いる。なお、放熱板110及び120の厚さは、例� �ば3mm程度である。

 絶縁基板112及び122は、放熱板110及び120と� ��電基材113及び123のそれぞれの間における絶� ��を確保するために配設される絶縁基板であ� ��、半田111及び121によって放熱板110及び120の� ��面に接合される。この絶縁基板112及び122は� ��例えば、アルミニウムナイトライド(AlN)等� �セラミックで構成され、厚さは、例えば0.6mm 程度である。

 導電基材113及び123は、IGBT10及びダイオー� ��20と外部配線との電気的接続を確保するた� �に配設される導電基材であり、例えば、銅(C u)又はアルミニウム(Al)で構成され、厚さは、 例えば0.4mm程度である。

 IGBT10及びダイオード20は、半田114及び124� �よって導電基材113及び123の上に接合されて� �り、導電基材113と123の間が半田114a、124a、及 び接続板130を介して電気的に接続されること により、IGBT10のドレイン-ソース間にダイオ� �ド20が挿入されている。

 このように、実施の形態1の半導体装置は 、放熱板110、絶縁基板112、導電基材113、及び IGBT10を含む第1積層体と、放熱板120、絶縁基� �122、導電基材123、及びダイオード20を含む第 2積層体とが、熱的に絶縁された状態で、冷� �器100の上に近接して搭載されており、また� �冷却水の流路100Aにおいて、IGBT10よりも放熱� ��の多いダイオード20を含む第2積層体の方が� ��流側に位置するように配置されている。

 このため、ダイオード20からIGBT10への熱� �導を抑制することにより、IGBT10を効率的に� �却することができるとともに、ダイオード20 の過冷却を抑制することができる。

 また、本実施の形態では、冷却水の温度� ��最高で65℃であるが、比較的耐熱性の低いSi 半導体素子で構成されるIGBT10を先に冷却でき るので、IGBT10を確実に冷却することができ、 高温に対してロバスト性が比較的低いSi半導� ��素子で構成されるIGBT10の温度上昇を緩和す� ��ことができる。

 また、IGBT10を冷却した後に、比較的耐熱� ��の高いSiC半導体素子で構成されるダイオー� ��20を冷却するので、ダイオード20を確実に冷 却できるとともに、SiC半導体素子で構成され るダイオード20の過冷却を防止することがで� ��る。

 このように、実施の形態1の半導体装置に よれば、IGBT10及びダイオード20を効率的に冷� ��することができる。

 図3は、実施の形態1の半導体装置がモジ� �ール化されて電力変換装置群として構成さ� �た回路を示す平面図である。この電力変換� �置群は、図1に示すインバータ5及びコンバー タ6が複数並列接続された構造を有する。

 既に図2に示す断面構造を説明したように 、実施の形態1の半導体装置は、冷却器100の� �に、放熱板110、絶縁基板112、導電基材113、� �びIGBT10を含む第1積層体と、放熱板120、絶縁� ��板122、導電基材123、及びダイオード20を含� �第2積層体とが、熱的に絶縁された状態で搭� ��されている。

 図3に示すように、インバータ5は、冷却� �100の上に、図中上から下に向かって、放熱� �110と放熱板120が交互に(3行)6列ずつ配列され� ��構成を有する。同様に、コンバータ6は、冷 却器100の上に、図中上から下に向かって、放 熱板110と放熱板120が交互に(2行)6列ずつ配列� �れた構成を有する。

 各放熱板110の上には、絶縁基板112、導電� ��材113、及びIGBT10が積層されている。また、� ��放熱板120の上には、絶縁基板122、導電基材1 23、及びインバータ20が積層されている。

 なお、図3では、説明の便宜上、接続板130 を省略するが、図2に示す断面構造は、図3に� ��けるA-A矢視断面に相当し、これは、6行5列� �30組あるIGBT10及びダイオード20のすべて組の� ��面構造において同一である。

 ここで、図3に示す、6行5列(30組)のIGBT10及 びダイオード20を搭載する放熱板110及び120に� ��して、符号110-1~11-6及び120-1~120-6を付す。符� ��110と120に付加されるサフィックスは、IGBT10� ��びダイオード20の行数(1~6行)に対応する。

 また、図3に示す6行5列(30組)のIGBT10及びダ イオード20は、各列に含まれる6組で図1に示� �三相インバータ回路又は三相コンバータ回� �を構成しており、図中左3列は互いに並列に� ��続される三相インバータ回路、図中右2列は 互いに並列に接続される三相コンバータ回路 である。これは、図1に示すインバータ5が3つ 並列接続され、図1に示すコンバータ6が2つ並 列接続されていることを示している。

 なお、6行5列(30組)のIGBT10及びダイオード2 0は、筐体の側壁140に覆われている。筐体は� �図3における上面を覆う蓋部を有しており、� ��部側では側壁140と冷却器100が密封されてい� ��。

 図4は、実施の形態1の半導体装置の冷却� �100全体の中における冷却水の流路100Aの経路� ��一例を示す図である。図4に示すIGBT10及びダ イオード20と流路100Aの位置関係は、図2の断� �図に示す位置関係と異なるが、図4において� ��IGBT10よりもダイオード20の方が下流側に配� �されている。

 図4に矢印で示すように、冷却器100の冷却 水の流路100Aは、1~2行目、3~4行目、5~6行目の3� ��統に分かれて循環するように形成されてい� ��。

 1~2行目では、図中左側から放熱板110-1及� �110-2の下を図中右方向に通流し、折り返して 合流し、放熱板120-1及び120-2の間の下を図中� �方向へ通流するように流路100Aが形成されて� ��る。

 3~4行目では、図中左側から放熱板110-3及� �110-4の下を図中右方向に通流し、折り返して 合流し、放熱板120-3及び120-4の間の下を図中� �方向へ通流するように流路100Aが形成されて� ��る。

 5~6行目では、図中左側から放熱板110-5及� �110-6の下を図中右方向に通流し、折り返して 合流し、放熱板120-5及び120-6の間の下を図中� �方向へ通流するように流路100Aが形成されて� ��る。

 このように、実施の形態1の半導体素子を モジュール化した電力変換装置群では、6行5� ��(30組)のIGBT10及びダイオード20は、単位面積� ��たりの放熱量の少ないIGBT10が上流側になり� ��単位面積あたりの放熱量の多いダイオード2 0が下流側になるように、冷却器100の流路100A� ��形状に合わせて配列されている。

 このため、ダイオード20からIGBT10への熱� �導を抑制することにより、比較的耐熱性の� �いSi半導体素子で構成されるIGBT10を効率的に 冷却することができる。また、比較的耐熱性 の高いSiC半導体素子で構成されるダイオード 20を確実に冷却できるとともに、SiC半導体素� ��で構成されるダイオード20の過冷却を防止� �ることができる。このように、実施の形態1� ��半導体装置をモジュール化した電力変換装� ��群によれば、IGBT10及びダイオード20を効率� �に冷却することができる。

 また、流路100Aを共通化することで冷却水 の水量を少なくすることができ、冷却系統の 簡素化を図ることができる。

 以上では、IGBT10とダイオード20を搭載す� �放熱板110と120が分離されている実施の形態1� ��半導体装置をインバータ5とコンバータ6の� �方に適用した形態について説明したが、こ� �ような半導体装置の構成は、昇降圧コンバ� �タ3、インバータ5、又はコンバータ6の少な� �ともいずれか一つに適用されていればよく� �3つのうちの任意の2つ、又は3つのすべてに� �用されてもよい。

 この場合、実施の形態1の半導体装置の構 成が適用されないものについては、IGBT10とダ イオード20とが共通の放熱板に搭載されてよ� ��。

 また、IGBT10とダイオード20は放熱量が異� �るので、放熱板110と絶縁基板112との間を接� �する半田111と、放熱板120と絶縁基板122との� �を接合する半田121とでは、使用温度領域や� �合する材料の熱膨張率等に応じて、熱膨張� �の異なる半田材料を用いてもよい。すなわ� �、ダイオード20の方が高温になるため、半田 121の方が熱膨張率が小さく、半田111の方が熱 膨張率の大きい半田材料を用いてもよい。

 このように使用温度領域や接合する材料� ��熱膨張率等に応じて、半田111と121とに異な� ��半田材料を用いることにより、半田の剥離� ��変形等を抑制することができ、信頼性の高� ��半導体装置を提供することができる。

 同様に、導電基材113とIGBT10との間を接合� ��る半田114と、導電基材123とダイオード20と� �間を接合する半田124とでは、半田124の方が� �膨張率が小さく、半田114の方が熱膨張率の� �きい半田材料を用いてもよく、半田111及び12 1の場合と同様に、半田の剥離や変形等を抑� �することができ、信頼性の高い半導体装置� �提供することができる。

 また、以上では、放熱量の多いダイオー� ��20の半導体材料としてSiCを用いる形態につ� �て説明したが、SiCの代わりに、窒化ガリウ� �(GaN)やダイアモンド(C)をダイオード20の半導� ��材料として用いてもよい。GaNやC(ダイアモ� �ド)もSiCと同様に、熱膨張率が小さく、熱伝� ��率が高く、耐熱性が高いため、放熱量の多� ��ダイオード20の半導体材料として好適であ� �。

 [実施の形態2]
 図5は、実施の形態2の半導体装置の断面構� �を示す図である。実施の形態2の半導体装置� ��、第1積層体と第2積層体との間に熱絶縁部20 0が配設される点が実施の形態1の半導体装置� ��異なる。その他の構成は実施の形態1の半導 体装置と同一であるため、同一の構成要素に は同一符号を付し、その説明を省略する。

 熱絶縁部200は、放熱板110、半田111、及び� ��縁基板112と、放熱板120、半田121、及び絶縁� ��板122との間を熱的に絶縁する部材であり、� ��えば、ポリカーボネート等の樹脂で構成さ� ��る。

 このような熱絶縁部200を備えることによ� ��、放熱板110、絶縁基板112、導電基材113、及� ��IGBT10を含む第1積層体と、放熱板120、絶縁基 板122、導電基材123、及びダイオード20を含む� ��2積層体とが熱的に絶縁されるため、互いの 間における輻射熱等の伝導が抑制され、熱的 な絶縁性がさらに良好になる。

 このため、実施の形態2によれば、ダイオ ード20からIGBT10への熱伝導を抑制することに� ��り、IGBT10を効率的に冷却することができる� ��

 なお、熱絶縁部200は、導電基材113と123の� ��にも配設されるように構成されていてもよ� ��。

 また、熱絶縁部200は、図3に示す筐体の側 壁140と一体的に形成されていてもよい。

 [実施の形態3]
 図6は、実施の形態3の半導体装置の断面構� �を示す図である。実施の形態3の半導体装置� ��、第1積層体と第2積層体と高さ位置が異な� �点が実施の形態2の半導体装置と異なる。そ� ��他の構成は実施の形態2の半導体装置と同一 であるため、同一の構成要素には同一符号を 付し、その説明を省略する。

 図6に示すように、実施の形態3の半導体� �置に含まれる冷却器100は段差を有しており� �放熱板110と放熱板120とは、高さ位置が異な� �ように配設されている。これにより、放熱� �110に搭載される半田111、絶縁基板112、導電� �材113、半田114、及びIGBT10の高さは、放熱板12 0に搭載される半田121、絶縁基板122、導電基� �123、半田124、及びダイオード20の高さと異な っている。なお、熱絶縁部200の高さ方向の長 さは、段差が生じた分だけ伸びている。

 このように、放熱板110と120の高さ位置を� ��らしたことにより、放熱板110と120との間の� ��離を長く取ることができるので、放熱板110� ��120との間の熱伝導を抑制することができ、I GBT10を効率的に冷却することができるととも� ��、ダイオード20の過冷却を抑制した半導体� �置を提供することができる。

 [実施の形態4]
 図7は、実施の形態4の半導体装置の断面構� �を示す図である。実施の形態4の半導体装置� ��、第1積層体に含まれる放熱板110と第2積層� �に含まれる放熱板120との平面視における面� �が異なるようにされている点が実施の形態2� ��半導体装置と異なる。その他の構成は実施� ��形態2の半導体装置と同一であるため、同一 の構成要素には同一符号を付し、その説明を 省略する。

 実施の形態4の半導体装置では、耐熱性が 比較的低いSi半導体素子で構成されるIGBT10の� ��熱性を向上させるために、図7に示すように 、放熱板110は、放熱板120よりも幅が広くされ ている。

 なお、絶縁基板112及び導電基材113と、絶� ��基板122及び導電基材123の幅は、実施の形態2 と同一であり、このような構成により、熱絶 縁部200の断面はクランク状に折れ曲げられて いる。

 このように、放熱板110の幅を放熱板120よ� ��も広くしたことにより、耐熱性が比較的低� ��Si半導体素子で構成されるIGBT10を冷却する� �熱板110の放熱性を向上させることができる� �で、ダイオード20の冷却性を確保しつつ、IGB T10を効率的に冷却することができる半導体装 置を提供することができる。

 [実施の形態5]
 図8は、実施の形態5の半導体装置がモジュ� �ル化されて電力変換装置群として構成され� �回路を示す平面図である。実施の形態5の半� ��体装置は、冷却器100に形成される冷却水の� ��路100Bのパターンが実施の形態1の半導体装� �(図4)の流路100Aと異なる。その他の構成は実� ��の形態1の半導体装置と同一であるため、同 一の構成要素には同一符号を付し、その説明 を省略する。

 図8に示すように、実施の形態5の冷却器10 0では、各行(1行目から6行目)に含まれる放熱� ��110(110-1~110-6)の下に形成される流路100Bと、� �熱板120(120-1~120-6)の下に形成される流路100Bと が別系統にされるとともに、放熱板110(110-1~11 0-6)の下に形成される流路100Bは並列に配置さ� ��、かつ、放熱板120(120-1~120-6)の下に形成され る流路100Bが並列に配置されている。

 また、耐熱性が比較的低いSi半導体素子� �構成されるIGBT10を冷却するための放熱板110(1 10-1~110-6)の下に形成される流路100Bには、冷却 水温度の上限が65℃の冷却系が接続され、耐� ��性が比較的高いSiC半導体素子で構成される� ��イオード20を冷却するための放熱板120(120-1~1 20-6)の下に形成される流路100Bには、冷却水温 度の上限が95℃の冷却系が接続される。

 このように、冷却器100の冷却系統をIGBT10� ��ダイオード20とで分けると共に、IGBT10の冷� �系統に水温の低い方の冷却水を通流させる� �うにしたことにより、IGBT10を効率的に冷却� �ることができるとともに、ダイオード20の過 冷却を抑制した半導体装置を提供することが できる。

 なお、このようにIGBT10とダイオード20と� �冷却系統を分ける場合において、十分な冷� �性能を確保することができるのであれば、� �ずれか一方の冷媒を空気にしてもよい。

 [実施の形態6]
 図9は、実施の形態6の半導体装置がモジュ� �ル化されて電力変換装置群として構成され� �回路を示す平面図である。実施の形態6の半� ��体装置では、隣接する放熱板110同士、及び� ��接する120同士を一体化してある。また、冷� ��器100に形成される冷却水の流路100Cのパター ンは、実施の形態1の半導体装置(図4)の流路10 0Aとは異なる。その他の構成は実施の形態1の 半導体装置と同一であるため、同一の構成要 素には同一符号を付し、その説明を省略する 。

 実施の形態6の放熱板110は、図3における� �熱板110-2と110-3、及び放熱板110-4と110-5をそれ ぞれ一体化したものである。

 また、放熱板120は、図3における放熱板120 -1と120-2、放熱板120-3と120-4、及び放熱板120-5� �120-6をそれぞれ一体化したものである。

 図10は、実施の形態6の半導体装置の冷却� ��100における冷却水の流路を概念的に示す図� ��ある。

 すべての流路100Cは一体化されており、流 入口(IN)は図中左側における4箇所であり、流� ��口(OUT)は図中左側における3箇所である。

 このような流路100Cの構成により、IGBT10を 流路100Cの上流側に配置し、ダイオード20を流 路100Cの下流側に配置することができる。

 このように、6行5列(30組)のIGBT10及びダイ� ��ード20が配列されるモジュール型の電力変� �装置群において、IGBT10が列方向に隣接して� �列される行同士放熱板110と、ダイオード20が 列方向に隣接して配設される行同士の放熱板 120を一体化した形態においても、冷却器100の 流路100Cにおける上流側にSi半導体素子で構成 されるIGBT10を配置するとともに、下流側にSiC 半導体素子で構成されるダイオード20を配置� ��ることにより、IGBT10を効率的に冷却するこ� ��ができるとともに、ダイオード20の過冷却� �抑制した半導体装置を提供することができ� �。

 また、以上の説明における寸法は一例に� ��ぎず、その数値以外の値を除外する趣旨で� ��ない。

 以上、本発明の例示的な実施の形態の半� ��体装置用放熱板について説明したが、本発� ��は、具体的に開示された実施の形態に限定� ��れるものではなく、特許請求の範囲から逸� ��することなく、種々の変形や変更が可能で� ��る。