JP5904006B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、作動時に半導体素子が発する熱を拡散して半導体素子を冷却する冷却構造を有する半導体装置に関する。

従来技術として、下記特許文献１に開示された熱拡散装置がある。この熱拡散装置では、高配向グラファイトからなる平板体の表面に半導体素子を配置している。平板体は厚さ方向に直交する拡がり方向において一方向に高い熱伝導性を有している。そして、複数の半導体素子が、平板体の高熱伝導方向における両端縁部に配設されている。

米国特許第７８５９８４８号明細書

しかしながら、上記従来技術の熱拡散装置を備える半導体装置では、平板体の高熱伝導方向における両端縁部の全域に半導体素子が配設されている。したがって、一方の半導体素子が発する熱が平板体に熱拡散する領域と、他方の半導体素子が発する熱が平板体に熱拡散する領域とが一致する。これにより、一方の半導体素子からの熱と他方の半導体素子からの熱が平板体において干渉し、効率よく熱拡散が行われ難いという問題がある。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、複数の素子が発する熱を効率よく拡散することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、
延在方向において熱伝導異方性を有する熱拡散板部材（２０、２１）と、
熱拡散板部材の表面に設けられ、それぞれの最大発熱量が所定量以上である複数の発熱素子（１１、１３）と、を備え、
複数の発熱素子のそれぞれは、他の全ての発熱素子に対して、熱拡散板部材の延在方向のうち熱拡散板部材の熱伝導性が最も高い高熱伝導方向（ＸＸ）において重複することのない非重複領域（１８）を有するように、高熱伝導方向に直交する方向（ＹＹ）にオフセット配置されており、
複数の発熱素子は、インバータの一対の上下アームでスイッチング動作する対をなすスイッチング素子であり、
熱拡散板部材は、電気伝導性を有して、インバータにおける出力端子である１枚の第１熱拡散板部材（２０）と、インバータにおける入力側プラス端子及び入力側マイナス端子である２枚の第２熱拡散板部材（２１）とを有し、
第１熱拡散板部材と一方の第２熱拡散板部材とが、対をなすスイッチング素子の一方のスイッチング素子を挟み込むように、一方のスイッチング素子の表裏両側に配設されるとともに、
第１熱拡散板部材と他方の第２熱拡散板部材とが、対をなすスイッチング素子の他方のスイッチング素子を挟み込むように、他方のスイッチング素子の表裏両側に配設されており、
対をなすスイッチング素子は、第１熱拡散板部材に対して離設されるとともに２枚の第２熱拡散板部材の間に介設されたコンデンサ（１４）により、第２熱拡散板部材を介して接続されていることを特徴としている。

これによると、複数の発熱素子のそれぞれは、熱拡散板部材の高熱伝導方向において、他の全ての発熱素子に対して重複することのない非重複領域を有している。したがって、各発熱素子の非重複領域から熱拡散板部材を高熱伝導方向に拡散する熱が、他の発熱素子から熱拡散板部材を高熱伝導方向に拡散する熱と干渉することがない。これにより、複数の発熱素子が発する熱を効率よく拡散することができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明を適用した第１の実施形態における半導体装置の一例を示す平面図である。 図１に示す半導体装置の正面図である。 熱拡散板の製造方法を説明するための斜視図である。 第１の実施形態における半導体装置の変形例を示す平面図である。 第２の実施形態における半導体装置の一例を示す平面図である。 第２の実施形態における半導体装置の変形例を示す平面図である。 第３の実施形態における半導体装置の一例を示す平面図である。 第３の実施形態における半導体装置の変形例を示す平面図である。 第３の実施形態における半導体装置の別の変形例を示す平面図である。 第４の実施形態における半導体装置の一例を示す平面図である。 図１０に示す半導体装置の側面図である。 第４の実施形態における半導体装置の回路図である。 第５の実施形態における半導体装置の一例を示す平面図である。 図１３に示す半導体装置の正面図である。 第５の実施形態における半導体装置の変形例を示す平面図である。 第５の実施形態における半導体装置の別の変形例を示す平面図である。 第５の実施形態における半導体装置の別の変形例を示す平面図である。 図１７に示す半導体装置の回路図である。 第５の実施形態における半導体装置の別の変形例を示す平面図である。 図１９に示す半導体装置の回路図である。 第５の実施形態における半導体装置の別の変形例を示す平面図である。 図２１に示す半導体装置の回路図である。 第５の実施形態における半導体装置の別の変形例を示す平面図である。 第６の実施形態における半導体装置の一例を示す平面図である。 図２４に示す半導体装置の正面図である。 第６の実施形態における半導体装置の変形例を示す正面図である。 図２６のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ線断面図である。 第６の実施形態における半導体装置の別の変形例を示す側面図である。 図２８のＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ線断面図である。 第７の実施形態における半導体装置の一例を示す平面図である。 第８の実施形態における半導体装置の一例を示す平面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１の実施形態）
本発明を適用した第１の実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

図１および図２に示すように、半導体装置１は、熱拡散板２０と、熱拡散板２０の表面に配設された複数の半導体素子１０を備えている。本例では、熱拡散板２０の表面に２つの半導体素子１０を配置している。半導体素子１０は、いずれも、作動時に例えば５Ｗ以上の発熱をする発熱素子である。半導体素子１０は、例えば半田付けにより熱拡散板２０に接合されて熱的に接続している。半導体素子１０と熱拡散板２０との接続は、接合に限定されず、接着や圧接等であってもかまわない。

熱拡散板２０は、延在方向において熱伝導異方性を有する本実施形態における熱拡散板部材である。熱拡散板２０は、例えば高配向グラファイトである。熱拡散板２０は、所謂気相成長グラファイト（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）からなる。熱拡散板２０は、以下に述べる方法で製造することができる。

まず、高温加熱炉内で炭化水素を熱的に分解し、原子レベルで高温基板上に気相成長させた高純度の黒鉛結晶を得る。図３左方部に示すように、黒鉛結晶は層状に形成されて積層されている。気相成長グラファイトは、層の平面方向には強固な共有結合を有する一方、層間は弱い分子間力で結合している。そのため、黒鉛層の拡がり方向、すなわち、図３左方部に図示するＸＸ方向およびＺＺ方向には、比較的高い熱伝導性を有する。また、黒鉛層の積層方向、すなわち、図３左方部に図示するＹＹ方向には、比較的低い熱伝導性を有する。

次に、このようにして得た気相成長グラファイトを、例えば図３左方部に破線で示す位置で黒鉛層に直交する方向に切断することにより、図３右方部に示す熱拡散板２０を得ることができる。熱拡散板２０は、板の拡がり方向において、図３右方部に示すＸＸ方向には比較的高い熱伝導性を有し、ＸＸ方向に直交するＹＹ方向には比較的低い熱伝導性を有する。このように、熱拡散板２０は、延在方向において熱伝導異方性を有する。熱拡散板２０は、厚さ方向となるＺＺ方向には、ＸＸ方向と同様の熱伝導性を有する。

熱拡散板２０は、その拡がり方向においては、高熱伝導部材に相当する黒鉛層がＸＸ方向に配向して熱伝導異方性を有しており、黒鉛層の配向する方向の熱伝導率が最も高くなっている。以下、熱拡散板２０の延在方向における黒鉛層の配向方向をＸＸ方向、熱拡散板２０の延在方向における黒鉛層の配向方向に直交する直交方向をＹＹ方向、熱拡散板２０の厚さ方向をＺＺ方向という場合がある。

図１に示すように、２つの半導体素子１０は、熱拡散板２０上においてＹＹ方向に並置されている。したがって、２つの半導体素子１０のそれぞれは、他の半導体素子１０に対してＸＸ方向から見たときに全く重複していない。

すなわち、複数の半導体素子１０のそれぞれは、他の全ての半導体素子１０に対して、ＸＸ方向において重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にずらして配置されている。そして、それぞれの半導体素子１０の全域が非重複領域１８となっている。

上述の構成の半導体装置１によれば、複数の半導体素子１０のそれぞれが、熱拡散板２０の延在方向のうち熱拡散板２０の熱伝導性が最も高い高熱伝導方向（ＸＸ方向）において、他の半導体素子１０に重複することのない非重複領域１８を有するように、半導体素子１０同士はＸＸ方向に直交するＹＹ方向に互いにオフセット配置されている。したがって、各半導体素子１０の非重複領域１８から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱が、他の半導体素子１０から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱と干渉することがない。これにより、複数の半導体素子１０が発する熱を効率よく拡散することができる。

また、複数の半導体素子１０は、それぞれの全域が非重複領域１８となっている。したがって、各半導体素子１０から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱が、他の半導体素子１０から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱と干渉することを確実に抑制することができる。これにより、複数の半導体素子１０が発する熱を一層効率よく拡散することができる。なお、図１に示す二点鎖線で囲んだ領域が、各半導体素子１０から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱の拡散領域である。各半導体素子１０のこの熱拡散領域が全く重複することがないので、拡散する熱同士の干渉を確実に抑制することができる。

また、熱拡散板２０は、配向した高熱伝導部材である黒鉛層を含むことによって熱伝導異方性を有しており、高熱伝導方向は、黒鉛層が配向する方向である。すなわち、含有する高熱伝導部材の配向方向が、熱拡散板２０の高熱伝導方向となる。したがって、各半導体素子１０の非重複領域１８から熱拡散板２０を高熱伝導部材配向方向に拡散する熱が、他の半導体素子１０から熱拡散板２０を高熱伝導部材配向方向に拡散する熱と干渉することがない。これにより、複数の半導体素子１０が発する熱を効率よく拡散することができる。

また、熱拡散板２０は、高配向グラファイトからなっている。これによると、熱拡散板２０に熱伝導異方性を付与することが容易である。

上述した例では、矩形状の熱拡散板２０の長手方向を高熱伝導方向（ＸＸ方向）としていたが、これに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、矩形状の熱拡散板１２０の長辺に対して傾斜する方向をＸＸ方向としてもかまわない。このような熱拡散板１２０は、例えば、図３右方部に示した熱拡散板２０から傾いた矩形状片を切り出すことにより得ることができる。

図４に示す半導体装置においても、複数の半導体素子１０のそれぞれは、ＸＸ方向において他の全ての半導体素子１０に対して重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にずらして配置している。また、複数の半導体素子１０は、それぞれの全域が非重複領域１８となっている。したがって、前述した例と同様の効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図５〜図６に基づいて説明する。

第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、各半導体素子の一部分を非重複領域としている点が異なる。なお、第１の実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第２の実施形態において説明しない他の構成は、第１の実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図５に示すように、本実施形態では、複数の（本例では２つの）半導体素子１０のそれぞれは、他の全ての半導体素子１０に対して、ＸＸ方向から見たときに一部は重複するものの残部は重複しないように配設されている。

すなわち、複数の半導体素子１０のそれぞれは、他の全ての半導体素子１０に対して、ＸＸ方向において重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にずらして配置されている。そして、それぞれの半導体素子１０の一部分が非重複領域１８となっている。

上述の構成の半導体装置によれば、第１の実施形態と同様に、複数の半導体素子１０のそれぞれは、熱拡散板２０の延在方向のうち熱拡散板２０の熱伝導性が最も高い高熱伝導方向（ＸＸ方向）において他の半導体素子１０に重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にオフセット配置されている。したがって、各半導体素子１０の非重複領域１８から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱が、他の半導体素子１０から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱と干渉することがない。これにより、複数の半導体素子１０が発する熱を効率よく拡散することができる。

また、複数の半導体素子１０は、それぞれの一部分が非重複領域１８となっている。したがって、例えば、体格寸法上の制約や電気配線レイアウト上の制約から半導体素子１０の配置関係が制限される場合であっても、各半導体素子１０のＸＸ方向熱拡散領域が完全に重複することがないので、拡散する熱同士の干渉を抑制することが可能である。

上述した例では、矩形状の熱拡散板２０の長手方向を高熱伝導方向（ＸＸ方向）としていたが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、矩形状の熱拡散板１２０の長辺に対して傾斜する方向をＸＸ方向としてもかまわない。

図６に示す半導体装置においても、複数の半導体素子１０のそれぞれは、ＸＸ方向において他の全ての半導体素子１０に対して重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にずらして配置している。また、複数の半導体素子１０は、それぞれの一部分が非重複領域１８となっている。したがって、前述した例と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図７〜図９に基づいて説明する。

第３の実施形態は、前述の第１、第２の実施形態と比較して、熱拡散板上の半導体素子のうち、比較的発熱量が大きい複数の素子にのみ本発明を適用した点が異なる。なお、第１、第２の実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第３の実施形態において説明しない他の構成は、第１、第２の実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図７に示すように、本実施形態では、熱拡散板２０の表面には、複数の（本例では２つの）半導体素子１１および複数の（本例では２つの）半導体素子１２が配設されている。半導体素子１１は、例えば、作動時の最大発熱量が３００ＷのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子である。半導体素子１２は、例えば、作動時の最大発熱量が１００Ｗのダイオードである。

本実施形態では、半導体素子１１に本発明を適用している。複数の（本例では２つの）半導体素子１１のそれぞれは、他の全ての半導体素子１１に対して、ＸＸ方向から見たときに全く重複していない。

すなわち、複数の半導体素子１１のそれぞれは、他の全ての半導体素子１１に対して、ＸＸ方向において重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にずらして配置されている。そして、それぞれの半導体素子１１の全域が非重複領域１８となっている。

上述の構成の半導体装置によれば、第１の実施形態と同様に、複数の半導体素子１１のそれぞれは、熱拡散板２０の延在方向のうち熱拡散板２０の熱伝導性が最も高い高熱伝導方向（ＸＸ方向）において他の半導体素子１１に重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にオフセット配置されている。したがって、各半導体素子１１の非重複領域１８から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱が、他の半導体素子１１から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱と干渉することがない。これにより、複数の半導体素子１１が発する熱を効率よく拡散することができる。

また、複数の半導体素子１１は、それぞれの全域が非重複領域１８となっている。したがって、各半導体素子１１から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱が、他の半導体素子１１から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱と干渉することを確実に抑制することができる。これにより、複数の半導体素子１１が発する熱を一層効率よく拡散することができる。

本実施形態では、半導体素子１１が、作動時の最大発熱量が所定量以上（例えば１５０Ｗ以上）である発熱素子に相当する。

また、最大発熱量が所定量未満である半導体素子１２は、体格寸法上の制約や電気配線レイアウト上の制約等に応じて所望の位置に配設することが可能である。

当該所定量は、１つの熱拡散板の表面に配置される複数の発熱素子のうち、体格寸法上の制約や電気配線レイアウト上の制約よりも熱拡散が優先されるべき発熱素子にのみ本発明のオフセット配置構成を適用するように設定することができる。

上述した例では、各半導体素子１１の全域を非重複領域１８としていたが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、複数の半導体素子１１のそれぞれの一部分を非重複領域１８とするものであってもよい。

この構成の半導体装置によれば、複数の半導体素子１１のそれぞれは、熱拡散板２０の延在方向のうち熱拡散板２０の熱伝導性が最も高い高熱伝導方向（ＸＸ方向）において他の半導体素子１１に重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にオフセット配置されている。

したがって、各半導体素子１１の非重複領域１８から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱が、他の半導体素子１１から熱拡散板２０をＸＸ方向に拡散する熱と干渉することがない。これにより、複数の半導体素子１１が発する熱を効率よく拡散することができる。

また、複数の半導体素子１１は、それぞれの一部分が非重複領域１８となっている。したがって、例えば、体格寸法上の制約や電気配線レイアウト上の制約から半導体素子１１の配置関係が制限される場合であっても、各半導体素子１１のＸＸ方向熱拡散領域が完全に重複することがないので、拡散する熱同士の干渉を抑制することが可能である。

上述した２例では、半導体素子１１の配設数は２つであったが、これに限定されるものではく、３つ以上であってもかまわない。例えば、図９に示すように、３つの半導体素子１１のそれぞれの全域を非重複領域１８とするものであってもよい。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について図１０〜図１２に基づいて説明する。

第４の実施形態は、前述の第１〜第３の実施形態と比較して、本発明を適用した複数の半導体素子をコンデンサで電気的に接続した点が異なる。なお、第１〜第３の実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第４の実施形態において説明しない他の構成は、第１〜第３の実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図１０に示すように、２つの半導体素子１３は、熱拡散板２０上においてＹＹ方向に並置されている。したがって、２つの半導体素子１３のそれぞれは、他の半導体素子１３に対してＸＸ方向から見たときに全く重複していない。

半導体素子１３は、例えば、ＩＧＢＴと逆導通用ダイオードとを１チップに集積したパワー半導体であるＲＣＩＧＢＴ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子とすることができる。

図１１に示すように、対をなすスイッチング素子である半導体素子１３は、熱拡散板２０への接合面とは反対側の面同士が、コンデンサ１４により接続されている。図示上方の半導体素子１３は、図示左方面が入力側のＰ端子に接続している。一方、図示下方の半導体素子１３は、図示左方面が入力側のＮ端子に接続している。対をなす半導体素子１３の図示右方面は、例えば半田付けにより熱拡散板２０に接合している。熱拡散板２０は電気伝導性を有しており、出力側の端子となっている。

図１０および図１１に示す半導体装置は、図１２に示す回路のうち二点鎖線で囲んだ部分を構成している。本実施形態の半導体装置はインバータの上下アームをなし、半導体素子１３がスイッチング動作するようになっている。熱拡散板２０は、インバータにおける１相（例えば３相インバータのＵ相）の出力端子である。

上述の構成の半導体装置によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、複数の半導体素子１３は、スイッチング素子である。これによると、スイッチング動作時に比較的発熱し易いスイッチング素子が発する熱を、効率よく拡散することができる。

さらに、熱拡散板２０は電気伝導性を有して、複数の半導体素子１３が熱的および電気的に接続されているとともに、複数の発熱素子である半導体素子１３は対をなすスイッチング素子である。そして、半導体素子１３同士は、熱拡散板２０に対して離設されたコンデンサ１４により接続されている。これによると、対をなす半導体素子１３、コンデンサ１４、および、熱拡散板２０で構成されるループ回路のループ面積を比較的小さくすることができる。したがって、ループ回路を低寄生インダクタンス構造とすることができ、損失を低減することができる。

対をなす半導体素子１３を、熱拡散板２０の低熱伝導方向であるＹＹ方向に近接して配置することでループ面積を小さくでき、かつ、各半導体素子１３の全域を非重複領域１８とすることで、拡散する熱同士の干渉を抑制することができる。なお、図１２に斜線ハッチングで示した領域が上記したループ回路のループ面積に相当する。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について図１３〜図２３に基づいて説明する。

第５の実施形態は、前述の第１〜第４の実施形態と比較して、発熱素子の表裏両側に熱拡散板部材を配設した点が異なる。なお、第１〜第４の実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第５の実施形態において説明しない他の構成は、第１〜第４の実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図１３および図１４に示すように、本実施形態の半導体装置は、複数の熱拡散板部材である熱拡散板２０、２１を備えている。熱拡散板２１は、熱拡散板２０と同様の構成をなしている。

熱拡散板２０および熱拡散板２１は、複数の（本例では２つの）半導体素子１０を挟み込むように、複数の半導体素子１０の表裏両側に配設されている。半導体素子１０は、表裏両面が例えば半田付けにより熱拡散板２０、２１に接合されて熱的に接続している。半導体素子１０と熱拡散板２０、２１との接続は、接合に限定されず、接着や圧接等であってもかまわない。また、熱拡散板２０、２１の間を、樹脂モールドもしくは樹脂ポッティング等により封止するものであってもよい。

本例の半導体装置では、熱拡散板２０のＸＸ方向と熱拡散板２１のＸＸ方向とが一致している。そして、２つの半導体素子１０のそれぞれは、他の半導体素子１０に対して、両熱拡散板２０、２１のＸＸ方向から見たときに全く重複しないようにＹＹ方向にずらして配置されている。２つの半導体素子１０のそれぞれは、他の半導体素子１０に対して、ＹＹ方向から見たときに全く重複していないが、一部もしくは全部が重複していてもかまわない。

上述の構成の半導体装置によれば、複数の半導体素子１０は、熱拡散板２０、２１のＸＸ方向において他の半導体素子１０に重複することのない非重複領域１８を有するように、ＸＸ方向に直交するＹＹ方向に互いにオフセット配置されている。したがって、各半導体素子１０の非重複領域１８から熱拡散板２０、２１をＸＸ方向に拡散する熱が、他の半導体素子１０から熱拡散板２０、２１をＸＸ方向に拡散する熱と干渉することがない。これにより、複数の半導体素子１０が発する熱を効率よく拡散することができる。

また、複数の半導体素子１０は、それぞれの全域が非重複領域１８となっている。したがって、各半導体素子１０から熱拡散板２０、２１をＸＸ方向に拡散する熱が、他の半導体素子１０から熱拡散板２０、２１をＸＸ方向に拡散する熱と干渉することを確実に抑制することができる。これにより、複数の半導体素子１０が発する熱を一層効率よく拡散することができる。

さらに、熱拡散板２０、２１は、複数の発熱素子１０を挟み込むように、複数の半導体素子１０の表裏両側に複数配設されている。これによると、複数の半導体素子１０が発する熱を、半導体素子１０の両面側に配設された熱拡散板２０、２１により、より一層効率よく拡散することができる。

上述した例では、熱拡散板２０のＸＸ方向と熱拡散板２１のＸＸ方向とが一致していたが、これに限定されるものではない。例えば、図１５に示すように、熱拡散板２０のＸＸ方向と熱拡散板２１のＸＸ方向とが直交するように、熱拡散板２０、２１を半導体素子１０の表裏両側に配設するものであってもよい。

複数の半導体素子１０のそれぞれは、熱拡散板２０、２１のいずれに対しても、ＸＸ方向において他の半導体素子１０に重複することのない非重複領域１８を有するように、ＸＸ方向に直交するＹＹ方向にオフセット配置されている。したがって、上述した例と同様の効果を得ることができる。

また、上述した２例では、熱拡散板の数は２枚であったが、これに限定されるものではない。例えば、図１６に示すように、１枚の熱拡散板２０と２枚の熱拡散板２１とを、半導体素子１０の表裏両側に配設するものであってもよい。

また、例えば、図１７に示すように、１枚の熱拡散板２０と２枚の熱拡散板２１とを、複数の（本例では２つの）半導体素子１１および複数の（本例では２つの）半導体素子１２の両面に配設するものであってもよい。なお、本例では、熱拡散板２０のＸＸ方向において、各半導体素子１１の一部が非重複領域１８となっている。

２枚の熱拡散板２１は、いずれもＸＸ方向の長さが比較的長い矩形状をなしている。したがって、各熱拡散板２１において、半導体素子１１、１２が発する熱を広範囲に拡散することができる。

本例の半導体装置は、図１８に示す回路のうち二点鎖線で囲んだ部分を構成するものとすることができる。本例の半導体装置はインバータの一対の上下アームをなし、半導体素子１１がスイッチング動作するようになっている。熱拡散板２０は、インバータにおける１相（例えば３相インバータのＵ相）の出力端子であり、２枚の熱拡散板２１は、入力側のＰ端子およびＮ端子とすることができる。

また、例えば、図１９に示すように、１枚の熱拡散板２０と２枚の熱拡散板２１とを、複数の（本例では２つの）半導体素子１１および複数の（本例では２つの）半導体素子１２の両面に配設するとともに、熱拡散板２０のＸＸ方向において、各半導体素子１１の全部を非重複領域１８としてもよい。

そして、半導体素子１２の図示表側の面同士は、コンデンサ１４で接続されている。本例の半導体装置は、図２０に示す回路のうち二点鎖線で囲んだ部分を構成するものとすることができる。

また、例えば、図２１に示すように、２枚の熱拡散板２０と３枚の熱拡散板２１とを、複数の（本例では６つの）半導体素子１１および複数の（本例では６つの）半導体素子１２の両面に配設するものであってもよい。１枚の熱拡散板２０には、３つの半導体素子１１と３つの半導体素子１２とが接続している。一方、１枚の熱拡散板２１には、２つの半導体素子１１と２つの半導体素子１２とが接続している。そして、いずれの熱拡散板２０、２１のＸＸ方向においても、各半導体素子１１の全域が非重複領域１８となっている。

このように、複数の半導体素子１１のそれぞれは、接続する熱拡散板２０、２１のいずれに対しても、ＸＸ方向において他の半導体素子１１に重複することのない非重複領域１８を有するように、半導体素子１１同士がＸＸ方向に直交するＹＹ方向にオフセット配置されている。したがって、各熱拡散板２０、２１において、ＸＸ方向に拡散する熱同士の干渉を抑制して、複数の半導体素子１１が発する熱を効率よく拡散することができる。

本例の半導体装置は、図２２に示す回路のうち二点鎖線で囲んだ部分を構成するものとすることができる。本例の半導体装置はインバータの３対の上下アームをなし、半導体素子１１がスイッチング動作するようになっている。２枚の熱拡散板２０は、入力側のＰ端子およびＮ端子をなし、３枚の熱拡散板２１は、３相インバータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力端子とすることができる。

また、例えば、図２３に示すように、２枚の熱拡散板２０と３枚の熱拡散板２１とを、複数の（本例では６つの）半導体素子１１および複数の（本例では６つの）半導体素子１２の両面に配設するものであってもよい。本例の半導体装置においても、複数の半導体素子１１のそれぞれが、接続する各熱拡散板２０、２１のＸＸ方向において他の半導体素子１１に重複することのない非重複領域１８を有するように、半導体素子１１同士がＹＹ方向にオフセット配置されている。本例の半導体装置も、図２２に示す回路のうち二点鎖線で囲んだ部分を構成するものとすることができる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について図２４〜図２９に基づいて説明する。

第６の実施形態は、前述の第１〜第５の実施形態と比較して、半導体装置に放熱手段を設けた点が異なる。なお、第１〜第５の実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第６の実施形態において説明しない他の構成は、第１〜第５の実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図２４に示すように、熱拡散板２０の図示紙面表側の面には、２つの半導体素子１０がＹＹ方向に並置されている。したがって、２つの半導体素子１０のそれぞれは、他の半導体素子１０に対してＸＸ方向から見たときに全く重複していない。

図２４および図２５に示すように、熱拡散板２０の半導体素子１０を配置した面とは反対側の面（図２４図示紙面裏側の面、図２５図示下面）には、放熱手段である冷却器３０が配設されている。冷却器３０は、放熱フィンを有する例えばアルミニウム製のヒートシンク３１と、熱拡散板２０とヒートシンク３１との間に介設される薄板状の電気絶縁材からなる絶縁板３２とからなる。

上述の構成の半導体装置によれば、複数の半導体素子１０が発し熱拡散板２０に拡散した熱を、冷却器３０から外部へ速やかに放熱することができる。したがって、複数の半導体素子１０を効率よく冷却することができる。

熱拡散板２０は、ＺＺ方向の熱伝導性がＸＸ方向と同様に比較的高いので、複数の半導体素子１０が発した熱を効率よく冷却器３０へ伝導することができる。したがって、複数の半導体素子１０を一層効率よく冷却することができる。

なお、放熱手段の構成は冷却器３０に限定されるものではない。例えば、放熱手段は、冷却器の内部に形成された熱媒体通路を流れる熱媒体に放熱するものであってもかまわない。

上述した例では、半導体素子の片面側に熱拡散板と冷却器とを設けていたが、これに限定されるものではない。例えば、図２６および図２７に示すような半導体装置であってもよい。図２６に示すように、本例の半導体装置では、複数の半導体素子１１および複数の半導体素子１２の両面側に、図１７に示した半導体装置と同様に、入出力端子としても機能する熱拡散板２０、２１が配設されている。そして、熱拡散板２０、２１の半導体素子１１、１２を配置した面とは反対側の面に、冷却器３０が配設されている。

図２７に示すように、本例の半導体装置は、熱拡散板２０のＸＸ方向において、各半導体素子１１の全部が非重複領域１８となっている。本例の半導体装置によれば、複数の半導体素子１１、１２が発し熱拡散板２０、２１に拡散した熱を、２つの冷却器３０から外部へ速やかに放熱することができる。したがって、複数の半導体素子１１、１２をより一層効率よく冷却することができる。

また、例えば、図２８および図２９に示すような半導体装置であってもよい。図２８に示すように、本例の半導体装置では、複数の半導体素子１３の両面側に、入出力端子としても機能する熱拡散板２０、２１が配設されている。そして、熱拡散板２０、２１の半導体素子１３を配置した面とは反対側の面に、冷却器３０が配設されている。

２枚の熱拡散板２１は、いずれもＸＸ方向の長さが極めて長い矩形状をなしている。したがって、各熱拡散板２１において、半導体素子１３が発する熱を広範囲に拡散することができる。

２枚の熱拡散板２１の間には、コンデンサ１４が介設されている。コンデンサ１４は、熱拡散板２０に対して離設されており、熱拡散板２１を介して対をなす半導体素子１３同士を接続している。これにより、本例の半導体装置は、図１２に例示した回路と同様の回路を構成している。本例の半導体装置は、図１０および図１１に示した半導体装置と同様に、ループ回路のループ面積を比較的小さくすることができる。

図２９に示すように、本例の半導体装置は、熱拡散板２０のＸＸ方向において、各半導体素子１３の全部が非重複領域１８となっている。本例の半導体装置によれば、複数の半導体素子１３が発し熱拡散板２０、２１に拡散した熱を、２つの冷却器３０から外部へ速やかに放熱することができる。したがって、複数の半導体素子１３をより一層効率よく冷却することができる。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について図３０に基づいて説明する。

第７の実施形態は、前述の第１〜第６の実施形態と比較して、熱拡散板上への半導体素子の配設姿勢を変更した点が異なる。なお、第１〜第６の実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第７の実施形態において説明しない他の構成は、第１〜第６の実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図３０に示すように、複数の（本例では２つの）半導体素子１０は、熱拡散板２０上においてＹＹ方向に並置されている。したがって、２つの半導体素子１０のそれぞれは、他の半導体素子１０に対してＸＸ方向から見たときに全く重複していない。

すなわち、複数の半導体素子１０のそれぞれは、他の全ての半導体素子１０に対して、ＸＸ方向において重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にずらして配置されている。そして、それぞれの半導体素子１０の全域が非重複領域１８となっている。

また、２つの半導体素子１０は、いずれも例えば正方形状であり、対角線方向がＹＹ方向に沿うように配設されている。すなわち、各半導体素子１０は、熱拡散板２０の拡がり方向において最大寸法（図示Ｌ１寸法）となる方向が、ＹＹ方向に沿うように配置されている。

上述の構成の半導体装置１によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、複数の半導体素子１０のそれぞれは、熱拡散板２０の延在方向における寸法が最大となる方向が、ＸＸ方向に直交するＹＹ方向に沿うように配置されている。これによると、各半導体素子１０の最大寸法方向を熱拡散板２０の高熱伝導方向に直交する方向とすることで、各半導体素子１０から熱拡散板２０を高熱伝導方向に熱拡散する領域を比較的広くすることができる。したがって、各半導体素子１０が発する熱を広範囲に確実に拡散することができる。

ここで、発熱素子である半導体素子の形状は正方形状に限定されるものではない。例えば、矩形状であってもよい。

（第８の実施形態）
次に、第８の実施形態について図３１に基づいて説明する。

第８の実施形態は、前述の第１〜第７の実施形態と比較して、熱拡散板上へ配設する半導体素子の形状が異なる。なお、第１〜第７の実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第８の実施形態において説明しない他の構成は、第１〜第７の実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図３１に示すように、複数の（本例では２つの）半導体素子１０Ａは、熱拡散板２０上においてＹＹ方向に並置されている。したがって、２つの半導体素子１０Ａのそれぞれは、他の半導体素子１０Ａに対してＸＸ方向から見たときに全く重複していない。

すなわち、複数の半導体素子１０Ａのそれぞれは、他の全ての半導体素子１０Ａに対して、ＸＸ方向において重複することのない非重複領域１８を有するように、ＹＹ方向にずらして配置されている。そして、それぞれの半導体素子１０Ａの全域が非重複領域１８となっている。

また、２つの半導体素子１０Ａは、いずれも例えば矩形状であり、長辺が延びる方向がＹＹ方向に沿うように配設されている。すなわち、各半導体素子１０Ａは、熱拡散板２０の拡がり方向において矩形状をなし、長辺の延在方向（図示Ｌ２の矢印方向）がＹＹ方向に沿うように配置されている。

上述の構成の半導体装置１によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、複数の半導体素子１０Ａのそれぞれは、熱拡散板２０の延在方向における形状が矩形状をなしており、矩形の長手方向がＸＸ方向に直交するＹＹ方向に沿うように配置されている。これによると、矩形状の各半導体素子１０Ａの長手方向を熱拡散板２０の高熱伝導方向に直交する方向とすることで、各半導体素子１０Ａから熱拡散板２０を高熱伝導方向に熱拡散する領域を比較的広くすることができる。したがって、各半導体素子１０Ａが発する熱を広範囲に確実に拡散することができる。

ここで、発熱素子である半導体素子の形状は矩形状に限定されるものではない。半導体素子の形状は略矩形状であればよく、例えば、矩形の角部を面取りした八角形状であってもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記各実施形態では、延在方向に熱伝導異方性を有する熱拡散板部材として、気相成長グラファイト材からなる板材を用いていたが、これに限定されるものではない。例えば、カーボンファイバーコンポジット金属材からなる板材を用いてもかまわない。また、鱗片状のグラファイトを含有する金属材からなる板材を用いてもかまわない。これらの金属材を採用する場合には、高熱伝導部材であるカーボンファイバーや鱗片状グラファイトの配向方向が、板材の拡がり方向において熱伝導性が最も高い高熱伝導方向（ＸＸ方向）となる。なお、金属には、アルミニウムや銅等を用いることが好ましい。

また、熱拡散板部材は、延在方向に熱伝導異方性を有するものであれば、配向する高熱伝導部材を含有するものに限定されるものではない。例えば、カーボンの多孔体の孔内に金属を溶融充填した板材を用いることもできる。

１ 半導体装置
１０、１０Ａ 半導体素子（発熱素子）
１１、１３ 半導体素子（発熱素子、スイッチング素子）
１８ 非重複領域
２０、２１、１２０ 熱拡散板（熱拡散板部材）
３０ 冷却器（放熱手段）
ＸＸ 高熱伝導方向（高熱伝導部材が配向する方向）
ＹＹ 高熱伝導方向に直交する方向

Claims (6)

1. 延在方向において熱伝導異方性を有する熱拡散板部材（２０、２１）と、
   前記熱拡散板部材の表面に設けられ、それぞれの最大発熱量が所定量以上である複数の発熱素子（１１、１３）と、を備え、
   前記複数の発熱素子のそれぞれは、他の全ての前記発熱素子に対して、前記延在方向のうち前記熱拡散板部材の熱伝導性が最も高い高熱伝導方向（ＸＸ）において重複することのない非重複領域（１８）を有するように、前記高熱伝導方向に直交する方向（ＹＹ）にオフセット配置されており、
   前記複数の発熱素子は、インバータの一対の上下アームでスイッチング動作する対をなすスイッチング素子であり、
   前記熱拡散板部材は、電気伝導性を有して、前記インバータにおける出力端子である１枚の第１熱拡散板部材（２０）と、前記インバータにおける入力側プラス端子及び入力側マイナス端子である２枚の第２熱拡散板部材（２１）とを有し、
   前記第１熱拡散板部材と一方の前記第２熱拡散板部材とが、前記対をなすスイッチング素子の一方のスイッチング素子を挟み込むように、前記一方のスイッチング素子の表裏両側に配設されるとともに、
   前記第１熱拡散板部材と他方の前記第２熱拡散板部材とが、前記対をなすスイッチング素子の他方のスイッチング素子を挟み込むように、前記他方のスイッチング素子の表裏両側に配設されており、
   前記対をなすスイッチング素子は、前記第１熱拡散板部材に対して離設されるとともに２枚の前記第２熱拡散板部材の間に介設されたコンデンサ（１４）により、前記第２熱拡散板部材を介して接続されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記熱拡散板部材は、配向した高熱伝導部材を含むことによって前記熱伝導異方性を有しており、
   前記高熱伝導方向は、前記高熱伝導部材が配向する方向であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記熱拡散板部材の前記発熱素子の配置面とは反対側の面に設けられ、前記発熱素子が発した熱を外部に放熱する放熱手段（３０）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記複数の発熱素子のそれぞれは、前記延在方向における寸法が最大となる方向が、前記直交する方向に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置。
5. 前記複数の発熱素子のそれぞれは、前記延在方向における形状が略矩形状をなしており、前記略矩形の長手方向が前記直交する方向に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 前記熱拡散板部材は、高配向グラファイトからなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置。

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