JP2007250918A

JP2007250918A - 直接冷却型電力半導体装置

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Publication number: JP2007250918A
Application number: JP2006073683A
Authority: JP
Inventors: Nobuyoshi Kimoto; 信義木本; Masanobu Obara; 雅信小原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP4620617B2

Abstract

【課題】シール部分の隙間腐食を効果的に防止することができる電力用の半導体装置を提供する。
【解決手段】互いに対向する第１の主面と第２の主面を有しその第１の主面に電力半導体素子が樹脂層を介して又は直接設けられた金属ベース板と、電力半導体素子を冷却する冷却液が還流される凹部を有する冷却構造体とを備え、冷却構造体は、凹部が第２の主面に対向して配置されて、凹部の周りに設けられた弾性体からなるＯリングを押圧するように、金属ベース板に取り付けられた直接冷却型電力半導体装置において、金属ベース板の第２の主面の一部であって、Ｏリングと金属ベース板との接触端の近傍に形成される隙間に滞留する冷却液に曝される部分に、腐食を防止する金属ベースコーティング膜を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を搭載したパワーモジュールと液冷構造体２０１とを備えた半導体装置に関するものである。

最近の電力用の半導体装置では、パワー密度向上の要求に答えるべく、間接液冷方式に変わり、冷却性能の高い直接液冷方式が多く使用されるようになって来ている。この直接液冷方式の代表的な構造としては、パワーモジュールの冷却面と、冷却液が流れる液冷構造体に設けた開口部をシールして、冷却液の漏れを防ぎ、流路を完成させる構造である。このときのシール材としては、一般的にはＯリングやガスケット、パッキング(以下Ｏリングで代表する)が用いられている（特許文献１，２）。

一方、直接液冷型電力半導体装置にあっては、電力用半導体モジュールの冷却性能を高めるために、金属ベース板の裏面の冷却液に接触する冷却面をできるだけ大きくとり、シール部付近迄冷却液を流す必要がある。更に、前記モジュール、若しくは半導体装置の小型化を達成するためにはシール部の形状をできるだけ小さくする必要がある。
特開平９−２４６４４３号公報特開２００５−１３６２７８号公報

しかし、Ｏリングでシールすると、シール面との接触部に微小な隙間ができ、この微小隙間に冷却液が侵入して、隙間が小さいために冷却液が滞留することがある。このように、冷却液が滞留すると、液中の酸素濃度に不均一が生じ、金属の局部腐蝕(隙間腐食と呼ばれている)が発生する。この現象は、特に、モジュールの冷却ベースや液冷構造体２０１に用いられるアルミや銅に顕著である。隙間腐蝕が進行すると、シール部からの液漏れを引き起こすなどの原因となる。

そこで、本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであり、シール部分の隙間腐食を効果的に防止することができる電力用の半導体装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る直接冷却型電力半導体装置は、互いに対向する第１の主面と第２の主面を有しその第１の主面に電力半導体素子が樹脂層を介して又は直接設けられた金属ベース板と、前記電力半導体素子を冷却する冷却液が還流される凹部を有する冷却構造体とを備え、前記冷却構造体は、前記凹部が前記第２の主面に対向して配置されて、前記凹部の周りに設けられた弾性体からなるＯリングを押圧するように、前記金属ベース板に取り付けられた直接冷却型電力半導体装置において、
前記金属ベース板の前記第２の主面の一部であって、前記Ｏリングと前記金属ベース板との接触端の近傍に形成される隙間に滞留する冷却液に曝される部分に、腐食を防止する金属ベースコーティング膜を形成したことを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係る直接冷却型電力半導体装置は、前記金属ベース板の前記第２の主面の前記Ｏリングと前記金属ベース板との接触端の近傍に形成される隙間に滞留する冷却液に曝される部分に、腐食を防止する金属ベースコーティング膜が形成されているので、シール部分の隙間腐食を効果的に防止することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の直接液冷型電力半導体装置を示す断面図である。
この実施の形態１において、パワーモジュール１００は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワーデバイス１０１と、銅配線パターン１０２と、熱の良伝導体である銅やアルミニウム等からなる金属ベース板１０５と、ケース１０６とを有してなる。このパワーモジュール１００において、銅配線パターン１０２は、接着樹脂層１０４により金属ベース板１０５に接着され、例えば、複数のパワーデバイス１０１が、はんだ(図示せず)等により、銅配線パターン１０２上に固着され、パワーデバイス１０１の表面に設けられた電極(図示せず)がアルミワイヤ１０３等の金属細線により銅配線パターンの一部に電気的に接合されている。

この状態で、パワーデバイス１０１や銅配線パターン１０２、アルミワイヤ１０３等を外部環境から保護するために、ケース１０６が金属ベース板１０５の周囲に固着されて構成されている。尚、図示されていないが、パワーデバイス１０１の電極は、銅配線パターン１０２を介して、ケース１０６の外に設けられた外部電極まで電気的に接続され、外部電極を外部回路に接続することによりパワーモジュール１００から電気信号が取り出される。

このパワーモジュール１００において、パワーデバイス１０１で発生する熱は銅配線パターン１０２、接着樹脂層１０４及び金属ベース板１０５を経て金属ベース板１０５の裏面に伝えられ、金属ベース板１０５の裏面から放出される。

本実施の形態１の直接液冷型電力半導体装置においては、上述の様に構成されたパワーモジュール１００に対して、金属ベース板１０５を冷却するために、液冷構造体２０１が、金属ベース板１０５の裏面に取り付けられる。この液冷構造体２０１は、冷却液２０５が還流される凹部と、その凹部の開口部２０２を取り囲むように設けられたＯリング収納溝２０３と、給排出口(図示せず)を有してなる。このように構成された液冷構造体２０１は、開口部２０２が金属ベース板１０５の裏面に対向するように配置され、Ｏリング収納溝２０３に設けられたＯリング２０４によって、冷却液２０５が外部に漏れ出さないようにシールして金属ベース板１０５の裏面に取り付けられる。
尚、液冷構造体２０１は、アルミや銅等の金属、若しくはPPS(ポリ・フエニレン・サルファイド)、等の樹脂で作製することができる。

このような構成することにより、実施の形態１の電力半導体装置では、金属ベース板１０５の裏面に、還流される冷却液２０５が直接接して金属ベース板１０５を冷却するため、効率よくパワーモジュール１００を冷却することができる。

ここで、特に、本実施の形態１では、金属ベース板１０５におけるＯリングとの接触部分にコーティング膜１０８を設けて、シール部分の隙間腐食を効果的に防止して、信頼性の高い電力用の半導体装置を提供することを可能にしている。
以下、シール部分の構成を詳細に説明する。

図２は、本実施の形態１におけるシール部の構造を判り易くするために、図１の一部を拡大して示す断面図である。
この図２に示すように、コーティング膜１０８は、金属ベース板１０５と液冷構造体２０１で締付られて横方向に拡がったＯリング２０４の接触面の最大幅より広く形成され、これにより冷却液２０５の滞留による金属ベース板１０５の腐食を防止している。

すなわち、Ｏリング２０４は弾性体であるため、金属ベース板１０５と液冷構造体２０１で締付けられることにより、横方向に歪み、その結果、Ｏリング２０４と金属ベース板１０５の接触部境界で微小な隙間１０７が形成される。この状態で、冷却液２０５を流すと、この隙間部に流れ込んだ冷却液２０５は、隙間が小さいために隙間内にとどまってほとんど流れず滞留する。しかしながら、本実施の形態１では、この冷却液２０５が滞留する部分に位置する金属ベース板１０５の表面に、コーティング膜１０８が形成されているので、従来、問題となっていた隙間腐食を防止することができる。

このように、コーティング膜１０８は、冷却液２０５の滞留による金属ベース板１０５の腐食を防止するものであるから、コーティング膜は、Ｏリング２０４との接触部分から少なくとも滞留する冷却水に曝される部分に形成されていれば良い。具体的には、横に拡がったＯリング２０４の中央部の最大径部分２０４ｂから金属ベース板１０５に下ろした垂線が金属ベース板１０５の裏面と交わる位置１０５ｂまで達するように、コーティング膜１０８が形成されていればよい。

また、本発明において、Ｏリングの断面形状は円では無く、矩形や他の異形であれば隙間部は浅くなることも考えられるが、同様に、隙間腐食の恐れが有れば、円形断面のＯリングの場合と同様、コーティング膜１０８を形成するようにすればよい。

このコーティング膜１０８は、金属ベース板１０５への密着が高く、Ｏリング２０４を締付けた際に変形したり、変質することなく、又、冷却液２０５に長時間さらされていても変質、劣化しない材質であれば何ら制限はないが、例えば、シリコーン系樹脂等のように、冷却液２０５の主成分である水に濡れにくいものが好ましい。
また、コーティング膜１０８の膜厚は、金属ベース板１０５の表面の凹凸を被覆して滑らかにでき、ピンホールなどの欠陥がなく、冷却液２０５がコーティング膜を通して金属表面に到達しないような膜厚であれば良く、上記条件を満足する限り、出来るだけ薄いほうが良い。具体的には、０．００２ｍｍ〜０．０５０ｍｍの範囲の厚さに設定されることが好ましい。

コーティング膜１０８は、例えば、形成すべき部分を除いて、マスクで覆ってマスクで覆われない表面に樹脂を噴霧して、均一に塗布する方法により形成することができる。
また、柔らかい先端部に樹脂を染み込ませた治具をコーティングするエリア上に押し当てて金属ベース板１０５表面に樹脂を塗布する方法、塗布する形状に成型したスタンプ状の治具により樹脂を転写する方法により形成することもでき、特に、形成方法に制限はない。

以上のように、実施の形態１の直接液冷型電力半導体装置によれば、金属ベース板１０５裏面の、Ｏリングが接触する部分に、コーティング膜１０８を形成するという簡単な構成で、隙間腐食を防止することができる。すなわち、本実施の形態１の構成では、コーティング膜をＯリングの接触幅より若干大きい幅に形成するだけで、隙間腐食を防止することができ、隙間腐食防止のために金属ベース板１０５と液冷構造体２０１の対向部分の寸法を大きく取る必要もない。
したがって、本実施の形態１では、Ｏリング付近の特別な設計をすることがないので、半導体装置の小型化を阻害することもない。

また、本実施の形態１の構成では、パワーモジュール１００に冷却構造体を取り付ける前に、コーティング膜１０８を金属ベース板１０５の裏面に形成することができるので、取り付け前にコーティング膜１０８の形成状態や膜品質を検査することができ、不良の発生を防止できる。さらに、組立時の煩雑さもなく、組立工程も短縮できる。

さらに、本実施の形態１では、金属ベース板１０５にコーティング膜を形成しているので、液冷却構造体をＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）樹脂等の接着剤の密着性が悪い樹脂で構成されている場合であっても、適用できる。

従って、本実施の形態１によれば、従来の問題点を解決して、冷却性能及び小型化を損ねることなく、容易に、且つ低コストに、隙間腐食を防止することができる直接液冷型電力半導体装置の提供することができる。

実施の形態２．
実施の形態１の構成では、Ｏリングと金属ベース板１０５で作る隙間における冷却液２０５の滞留に起因する隙間腐食を防止できることを示した。
しかしながら、〇リング２０４によるシール部分では、金属ベース板１０５と液冷構造体２０１の隙間も小さく、この隙間への冷却液２０５の滞留が問題になる場合がる。

この実施の形態２の直接液冷型電力半導体装置は、金属ベース板１０５と液冷構造体２０１の隙間に滞留する冷却液２０５による隙間腐食を防止することができるシール部分を持ったものであり、図３Ａにはそのシール部分の断面を拡大して示す。

実施の形態２の直接液冷型電力半導体装置では、図３Ａに示すように、Ｏリング収納溝２０３と冷却液２０５が還流される凹部とを隔てる隔壁の隔壁上面２０６と、金属ベース板１０５の間の隙間が小さく、この隙間に冷却液２０５が滞留する恐れが有る。そこで、本実施の形態２の直接液冷型電力半導体装置では、コーティング膜１０８を、金属ベース板１０５の隔壁上面２０６に対向する部分にも延在するように形成し、さらに、隔壁上面２０６の内側に傾斜部２０６ｂを形成して金属ベース板１０５との間隔を広げるようにしている。

実施の形態２では、この傾斜部２０６ｂを形成することにより、隔壁上面２０６と金属ベース板１０５の間の隙間において冷却液２０５が滞留する範囲を狭くして、さらに、延在して形成されたコーティング膜１０８により、冷却液２０５の滞留による隙間腐食を防止している。

ここで、金属ベース板１０５裏面のコーティング膜１０８は、少なくとも金属ベース板１０５裏面において滞留する冷却液２０５に曝される傾斜部２０６ｂの途中まで、形成されている。
また、図３Ａにおいて、図１及び図２と同様な部材には、同様の符号を付して示している。

このように、本実施の形態２では、Ｏリング２０４と金属ベース板１０５の接触部境界付近の微小な隙間１０７、隔壁上面２０６と金属ベース板１０５の間の隙間、及び傾斜部２０６ｂと金属ベース板１０５の隙間のうちの冷却液２０５が滞留する恐れが有る一部に対向する金属ベース板１０５の裏面がコーティング膜１０８によって完全に覆われているので、冷却液２０５の滞留による隙間腐食を防止することができる。

以上の実施の形態２では、隔壁上面２０６の内側に、傾斜面２０６ｂを形成するようにしたが、本発明においては、図３Ｂに示すように、曲面２０６ｃを形成してもよいし、図３Ｃに示すように、階段状の面２０６ｄであっても良いし、図３Ｄに示すような、突起のある傾斜面２０６ｅであってもよい。
すなわち、本発明では、内側に向かって金属ベース板１０５との間隔が、連続的に、又は段階的に拡がるような面であれば、傾斜面２０６ｂに代えて形成することができる。
言い換えれば、傾斜面２０６ｂ又はそれに替わる面は、冷却液２０５が滞留しない領域が明確にわかり、コーティング膜の端部を決められるような面であれば良い。

さらに、コーティング膜１０８の端部は、Ｏリング収納溝２０３の内側傾斜傾部の冷却液２０５の滞留が起こらない領域迄到達していれば良いが、コーティング膜の端部は、冷却性能に影響を及ぼさない限り、さらに内側まで若干伸びていても問題ない。

実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３の直接液冷型電力半導体装置は、図４に示すように、実施の形態１の直接液冷型電力半導体装置において、Ｏリング収納溝２０３の底面にコーティング膜２０８を形成し、Ｏリング収納溝２０３の底面とＯリング２０４とが、コーティング膜２０８を介して接するようにしたことを特徴としている。

このようにすると、液冷構造体２０１を金属で構成した場合において、液冷構造体２０１とＯリング２０４との隙間における冷却液２０５の滞留による隙間腐食を防止することができる。
したがって、図４に示す実施の形態３の構造によれば、液冷構造体２０１を銅やアルミ等の金属で形成することができる。

この実施の形態３における、コーティング膜２０８の端部も、実施の形態１で示したように、コーティング部は、Ｏリング２０４の中央部の最大部分２０４ｂから液冷構造体２０１に降ろした垂線が、Ｏリング収納溝２０３の底面と交わる位置より外側迄覆うように形成されていれば良く、特に長く出す必要はないことは勿論である。

以上のように、本実施の形態３では、金属ベース板１０５側のみならず液冷構造体２０１側の隙間腐蝕を防止でき、金属ベース板１０５の材料と液冷構造体２０１とを同一の材質で構成することが可能になる。
尚、実施の形態３において、コーティング膜は、実施の形態１と同様のもので構成することが可能である。

実施の形態４．
本発明に係る実施の形態４の直接液冷型電力半導体装置は、図５に示すように、実施の形態２の直接液冷型電力半導体装置において、Ｏリング収納溝２０３の底面にコーティング膜２０８を形成し、Ｏリング収納溝２０３の底面とＯリング２０４とが、コーティング膜２０８を介して接するようにし、さらに、コーティング膜２０８を隔壁上面２０６を経て傾斜面２０６ｂの途中まで延在するように形成している。

すなわち、本実施の形態４では、液冷構造体２０１を銅やアルミ等の金属で構成することが想定されており、隔壁上面２０６及び傾斜面２０６ｂの途中までと、金属ベース板１０５の隙間に冷却液２０５が滞留することにより、液冷構造体２０１の当該部分が腐食されるのをコーティング膜２０８によって防止している。
尚、実施の形態４において、コーティング膜２０８を傾斜面２０６ｂの途中まで延在させている理由は、その部分までが滞留する液冷体に曝されるためであり、傾斜面２０６ｂ全体が滞留する液冷体に曝される恐れがある場合には、コーティング膜２０８を傾斜面２０６ｂの下端まで延在させれば良い。

また、冷却液２０５の滞留により、金属ベース板１０５の裏面の腐食がコーティング膜１０８によって防止できるのは、実施の形態２と同様である。
また、傾斜部２０６ｂが形成されることによって、溝２０４の近辺において冷却液２０５が滞留する領域を狭くできることはいうまでもない。

さらに、傾斜部に代えて、図３Ｂに示すように、曲面２０６ｃを形成してもよいし、図３Ｃに示すように、階段状の面２０６ｄであっても良いし、図３Ｄに示すような、突起のある傾斜面２０６ｅであってもよい。
また、金属ベース板１０５の材料と液冷構造体２０１が同一の材質であってもよく、その場合、コーティング剤は実施の形態１で例示した材料を用いて構成することができる。
また、液冷構造体２０１を金属ベース板１０５と異なる金属を用いて構成することもでき、その場合のコーティング膜の材料は、実施の形態１で例示した材料を用いることもできるし、液冷構造体２０１の材質に応じてより適した材質を選択することもできる。

実施の形態５.
本発明に係る実施の形態５の直接液冷型電力半導体装置は、Ｏリング２０４によるシール部分の構造が実施の形態１と異なっている以外は、実施の形態１と同様に構成される。
図６は、本実施の形態５における直接液冷型電力半導体装置のＯリングシール部分の構造を示す断面図である。
本実施の形態５の直接液冷型電力半導体装置は、金属ベース板１０５と液冷構造体２０１間に挟まれたＯリング２０４の表面、金属ベース板１０５裏面の一部及びＯリング収納溝２０３の内面に渡って連続したコーティング膜が形成されていることを特徴としている。

図６には、Ｏリング２０４の表面を覆うコーティング膜には２０７ａの符号を、金属ベース板１０５裏面の一部を覆うコーティング膜には２０７ｂの符号を、Ｏリング収納溝２０３内面を覆うコーティング膜には２０７ｃの符号を付して示し、以下の説明では、コーティング膜を形成されている位置によって符号により識別して説明するが、コーティング膜２０７ａ、コーティング膜２０７ｂ及びコーティング膜２０７ｃは、連続したコーティング膜である。

すなわち、実施の形態５の直接液冷型電力半導体装置では、Ｏリング２０４と金属ベース板１０５の接触端近傍に形成され、冷却液２０５が滞留するであろう微小なＯリング隙間１０７における金属ベース板１０５の表面に、コーティング膜２０７ａから連続するコーティング膜２０７ｂが形成されていて、これにより、Ｏリング隙間１０７に滞留する冷却液２０５による金属ベース板１０５の腐食が防止されている。

また、実施の形態５の直接液冷型電力半導体装置では、Ｏリング２０４とＯリング収納溝２０３の底面の接触端近傍に形成され、冷却液２０５が滞留するであろう微小なＯリング隙間における溝底面に、コーティング膜２０７ａから連続するコーティング膜２０７ｃが形成されていて、これにより、Ｏリング隙間に滞留する冷却液２０５によるＯリング収納溝２０３の内面の隙間腐食が防止されている。

以下、本実施の形態５のシーリング構造部におけるコーティング膜の形成方法について図７Ａ〜図７Ｄを参照しながら説明する。
本方法でき、まず、図７Ａに示すように、パワーモジュール１００に液冷構造体２０１を取り付ける前に、液冷構造体２０１のＯリング収納溝２０３にＯリング２０４を装着し、その状態で、コーティング樹脂の反応硬化前の液状のコーティング樹脂溶液２０８ａを滴下する。
ここで、コーティング樹脂溶液２０８ａとしては、金属ベース板１０５との密着性が高く、Ｏリング締付により変質を起こすことがなく、且つ、冷却液２０５に犯されない、例えば、シリコーン樹脂等を用いることができる。尚、液冷構造体２０１が樹脂製である場合には、その樹脂との密着性が高いことが求められる。

滴下量は、パワーモジュール１００を搭載して締め付けたとき、樹脂溶液がＯリング収納溝２０３内に充満し、Ｏリング収納溝２０３からはみ出さない程度であることが好ましい。ただし、樹脂溶液を硬化反応させた後に形成されるコーティング膜が十分薄い場合には若干の溶液がＯリング収納溝２０３からはみ出しても問題はない。はみ出した溶液は液冷構造体２０１の開口部内壁に沿って流れて広がった場合でも、硬化反応後のコーティング膜厚は薄くなるので、製品の品質に及ぼす影響は無視できる。

図７Ｂは、滴下した溶液２０８ｂがＯリング収納溝２０３内に充満した状態を示す断面図である。このように、樹脂溶液２０８ｂが低粘度であればＯリング収納溝２０３とＯリング２０４の隙間に十分に充填され、Ｏリング２０４と液冷構造体２０１のＯリング収納溝２０３の底面で作られる隙間にも充填される。

図７Ｃは、パワーモジュール１００の金属ベース板１０５を、位置合せして液冷構造体２０１に搭載した後の状態を示す。この図７Ｃに示すように、Ｏリング２０４を上下から締め付けるとＯリング２０４は歪んで横に広がる。この結果、Ｏリング収納溝２０３内に充満した樹脂溶液２０８ｃはＯリング表面を伝い金属ベース板１０５の裏面に濡れ広がる。このとき、樹脂溶液は、その表面張力によりＯリング２０４と金属ベース板１０５の接触部で作られる隙間に十分に充填される。

図７Ｄは、Ｏリング２０４を、ボルト等で締付け固定した状態(図示せず)で、樹脂を硬化反応させた後の状態を示す。樹脂の硬化反応には、乾燥により樹脂溶液中の溶剤を飛ばした後、例えば、シリコーン樹脂の場合では大気中の湿度成分を吸収することにより反応が進む場合と高温雰囲気中で加熱することにより反応が進む場合が有るが、何れの過程で反応が進んでも問題はない。また、シリコーン以外の樹脂においても同様に何れかの反応過程により硬化が完結する。

反応が完結した状態では樹脂溶液中の溶剤が飛んでいるため、樹脂溶液が濡れた表面には薄くコーティング樹脂膜が残り、連続した、Ｏリング２０４の表面を覆うコーティング膜２０７ａと、金属ベース板１０５の裏面の一部を覆う２０７ｂ及び溝内部を覆うコーティング膜２０７ｃが形成される。

本方法においては、樹脂滴下装置と、必要に応じて高温槽を使用する以外に何ら特殊な装置、治具を要せず、工程も非常に簡単で、且つ、整った形状、高い寸法精度でコーティング膜を形成することができる。

このように、本実施の形態５では、切れ目無く連続して形成されたコーティング膜２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃにより隙間腐食を防止できるため、腐蝕による直接液冷型電力半導体装置の劣化を阻止できる。

本実施の形態５において、コーティング膜を形成する過程において、金属ベース板１０５表面の樹脂溶液に対する濡れ性が高く、開口部まで樹脂が濡れ広がる恐れが有る場合は、金属ベース板１０５の表面の所定の位置に、細帯状の樹脂流止めを形成することにより容易に樹脂の広がりを阻止できる。

また、コーティング膜を形成のための樹脂溶液の粘度が高い場合には、適当な溶剤を加えることにより適度な濡れ性を得られるように粘度を調整しても良い。
さらに、金属ベース板１０５表面や、特に、液冷構造体２０１を樹脂により構成されている場合であって、コーティング膜を形成するための樹脂溶液の密着性が低い場合には、表面にプライマー処理や、ＵＶ照射、プラズマ照射等の表面活性化処理を施せばよい。

実施の形態６．
本発明に係る実施の形態６の直接液冷型電力半導体装置は、図８及び図９に示すように、Ｏリング収納溝２０３の内側に位置する隔壁の内側に傾斜部２０９を形成して金属ベース板１０５との間隔を広げるようにし、溝内に形成されたコーティング膜２０７ｃをさらに、その傾斜部２０９に延在するように形成している。
尚、その傾斜部２０９に延在して形成された部分は、コーティング膜２０７ｄとして示している。

このように構成された実施の形態６の直接液冷型電力半導体装置では、金属ベース板１０５と液冷構造体２０１の内壁との間の隙間に滞留する冷却液２０５による金属ベース板１０５及び／又は液冷構造体２０１の腐食を防止することができる。

この実施の形態６では、例えば、図８に示すように、金属ベース板１０５を液冷構造体２０１に対向させて位置合せして搭載し、Ｏリング２０４を上下から締め付けるとＯリング２０４は歪んで横に広がる。この結果、Ｏリング収納溝２０３内に充満した樹脂溶液２０８ｃはＯリング２０４の表面を伝い金属ベース板１０５の裏面に濡れ広がる。このとき、樹脂溶液の滴下量を若干多く設定しておくと、樹脂溶液はＯリング収納溝２０３内部に充満してあふれて、Ｏリング収納溝２０３と開口部の間の液冷構造体２０１と金属ベース板１０５との隙間を越えて、開口部側の斜面部２０９迄はみ出し、コーティング液のはみ出し部２０８ｄを形成する。

この状態で溶剤を乾燥し、樹脂を硬化反応させる。このようにすると、図９に示すような、樹脂溶液に濡れた表面に薄くコーティング樹脂膜が残り、Ｏリング２０４の表面を覆うコーティング膜２０７ａ、金属ベース板１０５表面を覆うコーティング膜２０７ｂ、Ｏリング収納溝２０３の内壁を覆うコーティング膜２０７ｃ及び、斜面部２０９を覆うコーティング膜２０８ｄが連続して形成される。

以上のように構成された実施の形態６の直接液冷型電力半導体装置は、実施の形態５の直接液冷型電力半導体装置と同様の作用効果を有し、さらに、冷却液２０５が開口部からＯリング収納溝２０３迄充満する際に、Ｏリング収納溝２０３の内壁と金属ベース板１０５の裏面の隙間に冷却液２０５が滞留した場合であっても、この領域の金属ベース板１０５表面も液冷部材表面もコーティング膜で覆われており、隙間腐食を防止できる。

実施の形態６において、斜面部２０９は平面であっても曲面であっても良いし、さらには、階段状の面であってもよい。

実施の形態７．
本発明に係る実施の形態７の直接液冷型電力半導体装置は、図１０に示すように、樹脂溶液の内側への流入を防止する液溜り部２１０を形成したことを特徴とし、それ以外の部分は、実施の形態６の直接液冷型電力半導体装置と同様に構成される。

以上のように構成された本実施の形態７の直接液冷型電力半導体装置は、流れた樹脂溶液が傾斜部の液溜り210に溜まり、開口部へ流れることを阻止できる。この結果、開口部に樹脂溶液が流れ込むことにより、支障が生じる場合でも、厳密に樹脂溶液の量の制御することなく、製造することができ、製造工程を簡略化できる。

本発明に係る実施の形態１の直接液冷型電力半導体装置を示す断面図である。実施の形態１におけるシール部の構造を示すために、図１の一部を拡大して示す断面図である。本発明に係る実施の形態２の直接液冷型電力半導体装置におけるシール部分の構造を示す断面図である。実施の形態２に係る変形例の直接液冷型電力半導体装置における曲面２０６ｃを示す断面図である。実施の形態２に係る変形例の直接液冷型電力半導体装置における階段状の面２０６ｄを示す断面図である。実施の形態２に係る変形例の直接液冷型電力半導体装置における突起のある傾斜面２０６ｅを示す断面図である。本発明に係る実施の形態３の直接液冷型電力半導体装置におけるシール部分の構造を示す断面図である。本発明に係る実施の形態４の直接液冷型電力半導体装置におけるシーリング部の断面図である。本実施の形態５における直接液冷型電力半導体装置のＯリングシール部分の構造を示す断面図である。実施の形態５において、樹脂溶液を滴下するときの様子を示す断面図である。実施の形態５において、滴下した溶液２０８ｂがＯリング収納溝２０３内に充満した状態を示す断面図である。実施の形態５において、パワーモジュール１００の金属ベース板１０５を、位置合せして液冷構造体２０１に搭載した後の状態を示す断面図である。実施の形態５において、Ｏリング２０４を、ボルト等で締付け固定した状態で、樹脂を硬化反応させた後の状態を示す断面図である。本発明に係る実施の形態６の直接液冷型電力半導体装置の製造過程において、Ｏリング収納溝２０３内に樹脂溶液を充填し、Ｏリングを上下から締め付けた状態を示す断面図である。本発明に係る実施の形態６の直接液冷型電力半導体装置におけるシーリング部分の構造を示す断面図である。本発明に係る実施の形態７の直接液冷型電力半導体装置におけるシーリング部分の構造を示す断面図である。

符号の説明

１００パワーモジュール、１０１パワーデバイス、１０２銅配線パターン、１０３アルミワイヤ、１０４接着樹脂層、１０５金属ベース板、１０６ケース、１０７微小な隙間、１０８，２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄ，２０８コーティング膜、２０１液冷構造体、２０３Ｏリング収納溝、２０４〇リング、２０５冷却液、２０６隔壁上面、２０６ｂ傾斜面、２０６ｃ曲面、２０６ｅ突起のある傾斜面、２０８ｃ樹脂溶液、２０９傾斜部、２１０液溜り部。

Claims

互いに対向する第１の主面と第２の主面を有しその第１の主面に電力半導体素子が樹脂層を介して又は直接設けられた金属ベース板と、前記電力半導体素子を冷却する冷却液が還流される凹部を有する冷却構造体とを備え、前記冷却構造体が、前記第２の主面に前記凹部が対向するように配置されて、前記凹部の周りに設けられた弾性体からなるＯリングを押圧するように前記金属ベース板に取り付けられてなる直接冷却型電力半導体装置において、
前記金属ベース板の前記第２の主面の一部であって、前記Ｏリングと前記金属ベース板との接触端の近傍に形成される隙間に滞留する冷却液に曝される部分に、腐食を防止する金属ベースコーティング膜を形成したことを特徴とする直接冷却型電力半導体装置。
前記冷却構造体は、前記凹部の周りにＯリング収納溝を有し、該Ｏリング収納溝に前記Ｏリングが配置された請求項１記載の直接冷却型電力半導体装置。
前記Ｏリング収納溝内において、少なくとも前記Ｏリング収納溝の底面の一部であって、該底面と前記Ｏリングとの接触端の近傍に形成される隙間に滞留する冷却液に曝される部分に、該底面の腐食を防止する冷却構造体コーティング膜を形成したことを特徴とする請求項２記載の直接冷却型電力半導体装置。
前記冷却構造体は、前記Ｏリング収納溝と前記凹部とを隔てる隔壁の前記凹部側に、前記第２の主面との間隔が、前記凹部に近づくに従って連続的又は段階的に大きくなるように傾斜部を有し、前記金属ベースコーティング膜が該傾斜部に対向する部分にまで延在して設けられている請求項２又は３記載の直接冷却型電力半導体装置。
前記冷却構造体は、前記Ｏリング収納溝と前記凹部とを隔てる隔壁の前記凹部側に、前記第２の主面との間隔が、前記凹部に近づくに従って連続的又は段階的に大きくなるように傾斜部を有し、前記金属ベースコーティング膜が該傾斜部に対向する部分にまで延在して設けられている請求項３記載の直接冷却型電力半導体装置。
前記冷却構造体コーティング膜が前記傾斜部まで延在するように設けられた請求項５記載の直接冷却型電力半導体装置。
前記金属ベースコーティング膜の一部が、前記Ｏリングと前記金属ベース板の前記第２の主面に挟まれている請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の直接冷却型電力半導体装置。
前記冷却構造体コーティング膜の一部が、前記Ｏリングと前記Ｏリング収納溝の底面に挟まれている請求項３，５，６のうちのいずれか１つに記載の直接冷却型電力半導体装置。
前記Ｏリングの表面に設けられたＯリングコーティング膜をさらに、前記金属ベースコーティング膜と、前記Ｏリングコーティング膜と、冷却構造体コーティング膜とが連続した一体の膜として形成された請求項３、５、６、８のうちのいずれか１つに記載の直接冷却型電力半導体装置。