JP2009231672A

JP2009231672A - 電力用半導体装置

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Publication number: JP2009231672A
Application number: JP2008077255A
Authority: JP
Inventors: Ko Sano; 耕佐野; Yoshihiro Kashiba; 良裕加柴; Noriyoshi Arai; 規由新井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-25
Filing date: 2008-03-25
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: JP4937951B2

Abstract

【課題】冷却部を備える電力用半導体装置の全体の容積をより小さくする。
【解決手段】電力用の半導体素子４３と、半導体素子４３の発熱を外部に伝える伝熱性のモジュール基板４１を有する複数の電力用の半導体モジュール１３と、半導体モジュール１３のモジュール基板４１に接触して固定される伝熱性の伝熱板１５、放熱面２４から熱を放散し、放熱面２４に対向する取付面１８に伝熱板１５が伝熱可能に立設される放熱板１６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを冷却できる装置に関する。

電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。電力用半導体装置を使用する場合、通電、スイッチング等に伴って半導体素子に電力損失が生じる。電力損失は、半導体素子の発熱を引き起こす。半導体素子は、動作温度を超えると、破壊されて機能しなくなる。そのため、半導体素子を冷却する技術は、電力用半導体装置を利用するために重要な技術要素である。特に、電力用半導体装置が制御等する電力が大きくなる程、半導体素子の発熱は大きくなり、従って、半導体素子を冷却する技術はより重要になる。

従来、電力用の半導体素子を含む半導体モジュールを冷却するための冷却部を備える電力用半導体装置が提案されている。例えば、特許文献１には、半導体モジュールと、その半導体モジュールの両側に設けられる第１及び第２の冷却器とを備え、第１及び第２の冷却器が、第１の冷却器、半導体素子、及び、第２の冷却器が連接される方向に伸縮する半導体装置が記載されている。また、特許文献２には、モールド樹脂でカバーされたモールド面と、これに対向する放熱面とを有する少なくとも一対のパワーモジュールと、パワーモジュールのそれぞれのモールド面が互いに当接し、放熱面が当接するようにパワーモジュールを挟持する一対の冷却フィンとを備える電力用半導体装置が記載されている。
特開２００５−１５９０２４号公報特開２００６−１９０９７２号公報

電力用半導体装置を利用する場合、それを取り付けるためのスペースは限られている。例えば自動車等の車両の場合、比較的狭く限定されたスペースに、電力用半導体装置を含む種々の装置を搭載する必要がある。そのため、電力用半導体装置を取り付けるためのスペースも狭くなる。例えば、通常のエンジンのみで運転される車両における、バッテリー部に相当する領域に収まるように設計されていれば、容易に車両に搭載することが可能になるため、ハイブリッドカーでは半導体装置全体がバッテリー部の寸法内であることが要求される。このように、電力用半導体装置の小型化には強い要求がある。そこで、本発明は、上記の課題を解決するため、冷却部を備える電力用半導体装置の全体の容積をより小さくすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の電力用半導体装置は、
電力用の半導体素子と、上記半導体素子の発熱を外部に伝える伝熱性のモジュール基板を有する複数の電力用の半導体モジュールと、
上記半導体モジュールの上記モジュール基板に接触して固定される伝熱性の伝熱板と、
放熱面から熱を放散し、上記放熱面に対向する取付面に上記伝熱板が伝熱可能に立設される放熱板とを備える。

本発明によると、電力用半導体装置は放熱板を備え、放熱板の一面には、複数の半導体モジュールが伝熱板を介して立設される。そのため、１つの放熱板に対して半導体モジュールを高密度で設けることができる。従って、電力用半導体装置の全体の容積を小さくすることが可能になる。

また、半導体モジュールは、伝熱板に取り付けられるだけである。従来のように、半導体モジュール間に配置されるものがなく、また半導体モジュールが挟持されることもない。そのため、外部から受ける圧力等の負荷が半導体モジュールに掛からない。そのため、従来に比べて半導体モジュールの強度は弱くても構わない。その結果、半導体モジュールの小型化及び／又は軽量化が可能になる。

本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。全図を通して同一の部位には、同じ符号が付される。

実施の形態１．
図１及び図２に、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置を示す。図１は、実施の形態１の電力用半導体装置の斜視図であり、図２は、同断面図である。電力用半導体装置１１は、比較的大きな電力を制御、整流するための装置であり、半導体モジュール１３と、伝熱板１５と、放熱板１６と、水冷部２７とを備える。

半導体モジュール１３は、図２に示すように、電力用の半導体素子４３と、半導体素子４３及び内部配線４５を支持するモジュール基板４１と、外部配線に接続するための端子４９とを有する。半導体素子４３、内部配線４５及びモジュール基板４１は、樹脂４７によってモールドされている。樹脂４７は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、シリコンゲル、シリコンゴムなどから適宜選択すればよい。ゲルやゴムを流し込んで熱硬化させる場合は、モジュール形状を規定する枠を用いればよい。枠はたとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を成型したものを用いる。樹脂モールドによって、半導体モジュール１３の内部は、外気、水分、油分、塵埃等の外部環境から保護される他、電気的に絶縁されて電気的に保護されるとともに、機械的な負荷及び衝撃から保護される。

モジュール基板４１は、伝熱性と電気的な絶縁性とを備える薄板である。半導体モジュール１３の樹脂モールドされていない部分は、半導体モジュール１３の外壁の一部を形成する。モジュール基板４１の材料は、例えば窒化物又は酸化物である。モジュール基板４１は、半導体素子４３と接触し、半導体素子４３の発熱を半導体モジュール１３の外部に伝える。

端子４９は、放熱板１６の反対側に半導体モジュール１３に設けられる。すなわち、端子４９は、モジュール基板４１を挟んで放熱板１６とは反対側にのみ接続用端子が配置されるそのため、電力用半導体装置１１において、端子４９に接続する配線側と、放熱側とが明確に分離するため、装置全体の構造を簡略化することができる。その結果、装置の小型化が可能になる。

端子４９は、半導体素子４３から電気的に接続される配線の端部である半導体端子５１と、外部配線を接続するための接続用端子５３とを有する。半導体端子５１と接続用端子５３とは、１００Ａ程度の大電力を制御するために、機械的な強度と、高温でもクリープを起こしにくい安定性と、小さい抵抗とが実現できるように接続されている。半導体端子５１と接続用端子５３とは、例えば、ＴＩＧ（ＴｕｎｇｓｔｅｎＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接により接続される。ＴＩＧ溶接は、非消耗電極方式のアーク溶接法の１つである。

半導体端子５１と接続用端子５３とは、具体的には、断面積０．５ｍｍ^２のタフピッチ銅製の端子５１及び５３を近接させ、その近接した端子５１及び５３の近傍にＴＩＧ溶接のトーチを配置した状態で、アーク溶接を行う。たとえば、通電時間１２０〜３５０ｍｓ、電流値１０〜３０Ａの範囲で溶接を行うことにより、図１に示す略球状の溶接部を得ることができる。溶融する端子５１及び５３の長さは、それぞれ１〜３ｍｍ程度である。必ずしも溶加棒等は使用しなくてもよい。ＴＩＧ接合された端子５１及び５３は、きわめて強固な溶接部で接続される。溶接部は、電力用半導体装置１１が動作する程度の高温であってもほとんど劣化しない。さらに、溶接部は、数ｍｍ程度の小さな球状であり、容積も小さい。従って、このような溶接によって、電力用半導体装置の容積を小さくし、かつ、安定的に性能を発揮させることが可能になる。特に、ＳｉＣデバイスのように高温動作可能な半導体素子を備える場合に、ＴＩＧ溶接のこのような効果は極めて有用である。

伝熱板１５は、伝熱性を有する四角形の平板状の部材である。伝熱板１５は、例えば、銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属、またはそれらを主成分とする合金を用いて作られた金属板である。なお、伝熱板１５は、異種組成の金属を積層したクラッド材と呼ばれる複合金属板であってもよく、具体例として、銅／インバー合金／銅からなる３層の金属板や、銅と他の金属を組み合わせた２層の金属板を挙げることができる。さらに、伝熱板１５は、機械強度を持たせたグラファイト板であってもよい。伝熱板１５は、半導体モジュール１３及び後述する放熱板１６と接合するが、ここに挙げた材料又はその他の材料を適宜選択して用いることによって、伝熱板１５の熱膨張率を調整することができ、他の部材との接合状態を適切に維持することが可能になる。

伝熱板１５は、モジュール基板４１が取り付けられるモジュール取付部と、放熱板１６に固定するために利用する固定部とを含む。モジュール取付部には、電力用モジュール１３の端子４９が上記固定部の反対側に位置するように、電力用モジュール１３が取り付けられる。モジュール取付部には、モジュール基板４１が半導体素子４３から受けた熱をできるだけ少ない伝熱抵抗で伝熱板１５に伝えられるように、はんだ等のロウ材、接着剤等によって固定される。固定部は、伝熱板１５の一端面である底面及びその近傍の一定幅の帯状部分である。

放熱板１６は、半導体素子から伝わる熱を放散する平板状の部材である。放熱板１６の材料は、伝熱性を有するものであり、熱伝導率が高いものが好ましい。放熱板１６の材料の具体例として、銅、アルミニウム等の金属及びそれらを用いた合金が挙げられる。放熱板１６は、四角形の平板部１７と、伝熱板１５の固定部を挟持する第１支持部１９及び第２支持部２１と、フィン２５とを有する。平板部１７は、互いに対向する表裏の関係にある取付面１８と放熱面２４とを有する。取付面１８には、複数の伝熱板１５が伝熱可能に立設される。放熱面２４は、熱を放散する。

平板部１７は、取付面１８に、第１支持部１９及び第２支持部２１を有する。第１及び第２支持部１９，２１は、ともに細長い直方体である。第１及び第２支持部１９，２１は、長手方向が互いに平行になるように、取付面１８に固定される。第１及び第２支持部１９，２１は、伝熱板１５の固定部を挟み持つことによって、伝熱板１５を取付面１８に対して垂直に固定するものである挟持部２３を形成する。そのため、第１支持部１９と第２支持部２１との間隔は、伝熱板１５の厚さに応じて適宜決められる。

挟持部２３は、第１及び第２支持部１９，２１の対向する面部分と、その間に位置する取付面１８の部分とを含む。挟持部２３は、挟持部２３の長手方向と固定部の長手方向（固定部に含まれる底面の長手方向）とが平行に、伝熱板１５が取付面１８に対して垂直になるように、伝熱板１５を固定する。詳しくは、まず、挟持部２３に含まれる取付面１８の部分と固定部の底面とは当接する。また、挟持部２３に含まれる第１支持部１９の一面と、固定部の一面である第１面とが当接する。さらに、挟持部２３に含まれる第２支持部２１の一部と、上記第１面と対向する固定部の一面である第２面とが当接する。さらに、第２支持部２１は、固定部を第１支持部１９の方向に押圧するように塑性変形している。このように固定部が挟持部２３によって支持されることによって、伝熱板１５を取付面１８に対して垂直に起立して固定することができる。

また、第１支持部１９及び第２支持部２１の組みは、取付面に複数設けられる。各組の間隔は、放熱板１５及びそれに固定された電力用半導体ユニット１３が適切な間隔で配置されるように、適宜決められてよい。

また、平板部１７は、水冷式で熱を放散する水冷部２７を形成するものであり、放熱面２４に、複数のフィン２５を有する。水冷部２７は、放熱面の近傍を流れる冷媒としての水に放熱する部位である。水冷部２７の中を流れる水は、流入管３１から流入して、隔壁３２で画された内部流路２９及び配管３５により形成される一連の流路を通過して、排水管３３から排水される。内部流路２９には上記フィン２５が、突出しているため、冷媒との熱交換が促進され、従って、冷媒である水への効率的な放熱が可能になる。

なお、水冷部２７は、種々の放熱方法を実現する一例にすぎない。放熱方法は、空冷、自然放熱等であってもよい。また、放熱板１６の放熱面は、フィンを有するとしたが、フィンを有していなくてもよい。放熱板１６の放熱面がフィンを有するか否かは、いかなる放熱方法とも任意に組み合わせてよい。

このように、半導体素子とモジュール基板４１、モジュール基板４１と伝熱板１５、伝熱板１５と放熱板１６が、それぞれ伝熱可能に接続されている。そのため、半導体素子の熱は放熱板１６の放熱面から放熱される。従って、半導体素子の温度上昇を抑えることができ、半導体素子ないし電力用半導体装置の本来の機能を持続して発揮させることができる。

また、放熱板１６の取付面には、複数の半導体モジュール１３が伝熱板１５を介して立設される。そのため、１つの放熱板１６に対して半導体モジュール１３を高密度で設けることができる。従って、電力用半導体装置１１の全体の容積を小さくすることが可能になる。

また、半導体モジュール１３は、伝熱板１６に取り付けられるだけであり、半導体モジュール１６には、外部から受ける圧力等の負荷が掛からない。そのため、半導体モジュール１６に強い強度は要求されず、その結果、半導体モジュールの小型化及び／又は軽量化が可能になる。

これまで、電力用半導体装置１１の構成について説明した。ここから、電力用半導体装置１１の製造方法、特に伝熱板１５を放熱板１６に固定する方法について説明する。

第１支持部１９及び第２支持部２１は、上述のように、伝熱板１５を取付面１８に立設する。その方法を、図３を参照して説明する。まず、放熱板１６が、伝熱板１５の平板部１７を下から支持する載置台６１の上に置かれる。伝熱板１５が、取付面１８に対して起立した状態で、載置台６１の上の放熱板１６の第１支持部１９と変形前の第２支持部６５との間の挟持部２３に、配置される。この状態で、パンチ６３によって、上方から伝熱板１５と平行な方向（図３の矢印の方向）に第２支持部６５を押し下げる。パンチ６３を押下した位置を点線のパンチ６７で示す。これにより、第２支持部６５は、押し潰され、伝熱板１５を第１支持部１９に押し付けるように塑性変形する。ここで、パンチ６３は、第２支持部６５よりも硬い材料からなる。又、パンチ６３の先端は、側方から見た場合に、伝熱板１５から離れるに従って下方に下がるように傾斜している。このように、パンチ６３の先端が傾斜することによって、第２支持部６５を伝熱板１５の方に偏って潰すことができ、伝熱部１５を第１支持部１９に強く押し付けることが可能になる。そのため、伝熱板１５と第２支持部２１との接触面積を広くすることができ、より効率的に伝熱部１５から放熱板１６に熱を伝えることが可能になる。

なお、第２支持部６５は、長手方向（取付面１８方向）に水平なパンチ６３で第２支持部６５の長手方向に一度に押圧されてもよいが、長手方向に対して傾斜したパンチ６３で第２支持部６５の一方から次第に押圧されてもよい。

なお、第２支持部６５を押し潰す量は、伝熱部１５を第１支持部１９に押し付ける強さと接触面積に影響するため、伝熱部１５から放熱板１６への伝熱効率に影響する。従って、第２支持部６５は、伝熱部１５から放熱板１６に伝えるべき伝熱量に応じて適宜調節されるとよい。また、第２支持部６５だけでなく、第１支持部１９も押し潰してもよい。

このように、第２支持部６５を押し潰すことによって、第２支持部６５は塑性変形する。これによって、伝熱板１５は、第１及び第２支持部１９，６５によって挟持され、伝熱板１５は、放熱板１６の取付面１８に垂直に固定される。また、このように挟持する取付方法によると、伝熱板１５の表面全体を水冷する場合に較べて伝熱抵抗は相対的に大きくなるが、例えばＳｉＣベースの化合物半導体素子の機能を維持するために十分な熱を伝熱板１５から放熱板１６に伝えることができる。例えば、ＳｉＣベースの化合物半導体デバイスでは、オン抵抗がＳｉ半導体デバイスより１／２〜１／５程度と低い。電力損失もオン抵抗に比例して１／２〜１／５程度になる。具体的には、ＳｉのＩＧＢＴのオン抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ^２程度であるのに対し、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴでは、４〜１０ｍΩ・ｃｍ^２程度のオン抵抗である。又、ＳｉＣベースの半導体素子は、動作温度の上限が３００℃程度ときわめて高く、Ｓｉに比べて温度上昇に対する制約が緩やかである。したがって、第１及び第２支持部１９，６５によって押圧して伝熱板１５を挟持する方法は、ＳｉＣデバイスを用いた半導体装置に適切な方法である。フィン２５を空冷する場合は、伝熱板１５と第１及び第２支持部１９，６５の間の伝熱抵抗は無視できるため、支持部や伝熱板の材料に較べて熱抵抗の大きい接合であっても問題にならず、塑性変形を用いた固定方法は合理的である。
また、水冷の場合は、前述の伝熱抵抗が無視できなくなるため、熱伝導性グリース、熱伝導性ゲル、銀粒子分散ペースト、銀粒子分散液等を挟持部２３および支持部１９との接触面に予め塗布した状態で、又は、薄いグラファイトシートを挟持部２３と伝熱板１５との間に挟んだ状態で、第２支持部２１を押し潰すことによって、伝熱板１５と放熱板１６との接続部分の伝熱抵抗を低減させることができる。

なお、伝熱板１５は、第２支持部を押圧して潰すことなく、第１支持部と第２支持部との間に、はんだ等のロウ付け、接着剤を用いて固定されてもよい。接着剤を用いる場合は、例えば銀粒子を多く含有するものを利用することによって、熱伝導率を高くすることが可能になる。具体的には、伝熱板と放熱板の接続が、ロウ材、銀多くを含む接着剤等のように、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋより高い材料であれば、６０ｍｍ^２程度の接合面積を確保することによって、伝熱板１５と放熱板１６との接続部分での熱抵抗は、０．３℃／Ｗ以下にすることは容易である。例えば、半導体素子がＳｉベースのＩＧＢＴとダイオードで構成されている場合、ピーク電流７５Ａ、キャリア周波数３ｋＨｚで１５０Ｗの損失があるとすると、接続部分の熱抵抗が０．３℃／Wであるとすると、温度上昇は、４５℃となる。Ｓｉベースの半導体素子の一般的な動作温度上限は１５０℃程度であるため、室温を考慮しても、十分に動作温度の範囲にある。従って、本発明によれば、大電流容量のＳｉベースの半導体素子を動作させることができる小型の電力用半導体装置を提供することが可能になる。

実施の形態２．
本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の電力用半導体装置１１と概ね同じ構成であり、第２支持部の形状に特徴を有する。図４は、実施の形態２の放熱板１１６が有する第２支持部７１の側面図である。変形前の第２支持部７１は、図示するように、パンチ７５によって押圧される上面に、押圧溝７３を有する。押圧溝７３は、第２支持部７１の長手方向に沿って形成される。第２支持部７１は、パンチ７５で上方から伝熱板１５に平行な方向（図の矢印の方向）に押圧されることによって、塑性変形する。変形した第２支持部８１は、伝熱板１５を第１支持部１９の方向に押し付ける。

パンチ７５は、図示するように、側面がＶ字状で、先端部７７が突き出ている。パンチ７５を矢印方向に押し下げると、押圧溝７３は、先端部７７に嵌る。これによって、押圧する機器であるパンチ７５の先端７７の位置決めが容易にかつ正確になる。また、押圧溝７３を設けることによって、第２支持部７１は、押圧溝７３を中心に開くように変形し易くなり、第２支持部７１の加工が容易になる。その結果、パンチ７５を点線で示すパンチ７７にまで押し下げると、第２支持部７１は、点線で示す第２支持部８１のように塑性的に変形する。これにより、伝熱板１５を放熱板１７に対して垂直に固定することが可能になる。

実施の形態３．
本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態２の電力用半導体装置と概ね同じ構成であり、伝熱板の固定部及びその近傍の形状に特徴を有する。図５は、実施の形態３の伝熱板１１５ａの側面図である。伝熱板１１５ａは、第１及び第２支持部１９，７１により挟持される部分である固定部に、変形部分を有する。変形部分は、変形した第２支持部１１９ａに当接する位置及びその近傍に設けられる、帯状の窪み部分１１７ａである。

第２支持部７１は、パンチ７５を点線で示すパンチ７９まで押し下げると、実施の形態２と同様に押圧溝７３を中心に開くように変形する。変形した第２支持部７１は、窪み部分１１７ａの一部を埋めるような形状に塑性変形する。その結果、窪み部分１１７ａは、変形した第２支持部１１９ａと係合し、これによって、伝熱板１１５ａとの接触面積を広くして接続部分での伝熱抵抗を減らすことが可能になり、また挟持部２３が伝熱板１１５ａを確実に挟持して固定することが可能になる。特に放熱板１１６が加熱されて熱膨張した場合でも、伝熱板１１５に垂直方向にはたらく引っ張り力に対して、安定した強度を維持することが可能である。

なお、伝熱板１１５ａが有する変形部分は、図６に示すように、側方から見て、表面に上下方向に波形又は山型が連続して設けられた鋸歯状の鋸歯状部分１１７ｂであってもよい。これによっても、変形した第２支持部１１９ｂは、鋸歯状部分１１７ｂの形状に適合して塑性変形するため、変形した第２支持部１１９ａと係合する。従って、伝熱板１１５ｂと放熱板１７との接続部分の接触面積を大きくして接続部分での伝熱抵抗を減らすとともに、確実に固定することが可能になる。

実施の形態４．
本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態２の電力用半導体装置と概ね同じ構成であり、放熱板に特徴を有する。放熱板２１６の平板部２１７は、取付面２１８に、図７に示すように、伝熱板１５の固定部を挿入するための挿入溝２１９を有する。挿入溝２１９は、切削等によって、平板部２１７の取付面２１８に設けられた溝である。また、第１支持部１９と第２支持部７１とは、挿入溝２１９の両端部のそれぞれに立設される。すなわち、第１支持部１９と第２支持部７１とは、第１支持部１９及び第２支持部７１のそれぞれの対向する面と、挿入溝２１９を形成する対向する面とが、それぞれ平らに連続するように、取付面２１８に設けられる。これにより、第２支持部７１の変形量は、点線で示す第２支持部２８１のように、大きくなる。そのため、伝熱板１５と放熱板２１６との接触面積を広く確保することができ、接続部分での伝熱抵抗を減らすことが可能になる。

なお、平板部２１７は、取付面２１８に設けられる挿入溝２１９に代えて、取付面２１８から放熱面２２４にまで貫通するスロットであってもよい。この場合、伝熱板１５の固定部は、底面とそれに対向する上面との間の帯状部分であり、スロットに囲われて第１及び第２挟持部によって固定される。この場合、スロットがあるため放熱面２２４の近傍に水を流すことは困難であるため、空冷方式が適する。

実施の形態５．
本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態２の電力用半導体装置と概ね同じ構成であり、放熱板に特徴を有する。放熱板３１７の平板部３１７は、図８に示すように、伝熱板１５の固定部を挿入するための挿入溝３１９と、パンチ７５の先端７７の位置決め及び押圧による取付面３１８の変形を容易にする押圧溝３２１とを有する。すなわち、放熱板３１７は、実施の形態２と異なり、第２支持部を有しない。

挿入溝３１９及び押圧溝３２１は、切削等によって、平板部２１７の取付面３１８に設けられた溝である。挿入溝３１９及び押圧溝３２１は、互いに平行であり、所定の距離で設けられる。挿入溝３１９は、底面部と、底面部の両端から互いに対向して起立する第１面部及び第２面部によって形成される。第１支持部１９は、第１面部に立設される。第１支持部１９は、その一面と、第１面部が有する面とが平らに連続するように設けられる。押圧溝３２１は、第２面部の近傍に設けられる。押圧溝３２１は、パンチ７５によって押圧され、それによって、第２面部が伝熱板１５を第１面部に押し付けるように塑性変形する。図８では、変形後の第２面部３８１の形状を点線で示す。挿入溝３１９と押圧溝３２１との距離は、押圧部３２１をパンチ７５で押圧したときの変形によって伝熱板１５を固定できる距離である。

なお、第１支持部１９はなくてもよい。この場合、第１支持部１９の代わりに、挿入溝３１９の第１面部が、伝熱板１５に当接して伝熱板１５を支持する。

このように、放熱板は、第２支持部を備えず、押圧溝を備えるだけである。そのため、放熱板に施す加工が少なくてすむ。その結果、放熱板の製造が容易になる。

実施の形態６．
本実施の形態の電力用半導体装置は、実施の形態１の電力用半導体装置と概ね同じ構成であり、放熱板に特徴を有する。放熱板４１６は、図９の側方断面図及び図１０の斜視図に示すように、平板部４１７にスロット４２１を備える。本実施の形態の電力用半導体装置は、スロット４２１を備えるため、空冷方式に適する。なお、放熱板４１６は、放熱面４２４に、フィンを備えてもよい。

スロット４２１は、第１支持部４１９に平行に形成される。スロット４２１は、第１支持部４１９に隣接する。すなわち、スロット４２１は、スロット４２１を形成する一面と、第１支持部４１９の一面とが連続する平らな支持面を形成するように、設けられる。変形後の第２支持部４２７は、支持面を支える支持部材４６３がスロット４２１を介して挿入された状態で、変形前の第２支持部４２３を第１支持部４１９の方向に押すことによって形成される。

本実施の形態の第２支持部４２３の加工方法について説明する。第２支持部４２３は、放熱板４１７が載置される載置台４６１と、載置台４６１から起立する支持部材４６３と、押圧棒４６５とを備える加工機によって、加工される。まず、放熱板４１７が載置台４６１に載置される。このとき、支持部材４６３がスロット４２１を貫通するように、載置される。次に、押圧棒４６５が、側方に移動し、第２支持部４２３を第１支持部４１９の方向（図中の矢印の方向）に押圧する。押圧棒４６５が、点線で示す押圧棒４６７の位置にまで移動すると、第２支持部４２３は、伝熱板１５を第１支持部材側に押さえ付けるように塑性変形する。このように、押圧棒４６３が第２支持部４２３を押圧している間、支持部材４６３は、放熱板４１７が移動したり、第１支持部材４１９が変形することがないように、第１支持部４１９の支持面を支える。これによると、パンチによって第２支持部を上下方向に押圧できない場合であっても、第１及び第２支持部とで伝熱板１５を挟持して固定することが可能になる。押圧棒４６５の先端は、第２支持部４２３の根元をせん断破壊して第２支持部４２３が折れてしまわないように、テーパーが形成されている。このため、第２支持部４２３の根元の変形は小さくて良い。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は各実施の形態に限定されるものではない。例えば、各実施の形態に含まれる要素を矛盾しない限度で、任意に組み合わせて構成される電力用半導体装置も本発明に含まれる。

本発明は、電力用の半導体素子又は電力用の半導体モジュールを備える電力用半導体装置に適用できる。

本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の斜視図。本発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の側方断面図。本発明の実施の形態１に係る放熱板の形状及び伝熱板の固定方法を説明するための側面図。本発明の実施の形態２に係る放熱板の形状及び伝熱板の固定方法を説明するための側面図。本発明の実施の形態３に係る伝熱板の形状及びその固定方法を説明するための側面図。本発明の実施の形態３の一変形例に係る伝熱板の形状及びその固定方法を説明するための側面図。本発明の実施の形態４に係る放熱板の形状及び伝熱板の固定方法を説明するための側面図。本発明の実施の形態５に係る放熱板の形状及び伝熱板の固定方法を説明するための側面図。本発明の実施の形態６に係る放熱板の形状及び伝熱板の固定方法を説明するための側方断面図。本発明の実施の形態６に係る放熱板の斜視図。

符号の説明

１１電力用半導体装置、１３半導体モジュール、１５・１１５ａ・１１５ｂ伝熱板、１６・１１６・４１６放熱板、１７・４１７平板部、１８取付面、１９・４１９第１支持部、２１・６５・７１・８１・１１９ａ・１１９ｂ・２８１・４２３・４２７第２支持部、２３・４２５挟持部、２４・４２４放熱面、２５フィン、２９流路、３１流入管、３２隔壁、３３排水管、３５配管、４１モジュール基板、４３半導体素子、４５配線、４７樹脂、４９端子、５１半導体端子、５３接続用端子、７３押圧溝、１１７ａ窪み部分、１１７ｂ鋸歯状部分、４２１スロット。

Claims

使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板を有する複数の電力用の半導体モジュールと、
上記モジュール基板に固定される伝熱性の伝熱板と、
放熱面から熱を放散し、上記放熱面に対向する取付面に上記伝熱板が立設される放熱板とを備えることを特徴とする電力用半導体装置。
上記放熱板は、上記伝熱板を挟持する第１支持部及び第２支持部を上記取付面に有し、
上記第２支持部は、挟持された上記伝熱板を上記第１支持部側に押し付けるように塑性変形していることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
上記第２支持部は、上記第１支持部と変形前の第２支持部との間に上記伝熱板が配置された状態で、上記変形前の第２支持部を上記伝熱板と平行な方向に押圧することによって塑性変形していることを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
上記変形前の第２支持部は、押圧される部分に押圧溝を有することを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体装置。
上記放熱板は、上記取付面に、上記伝熱板が挿入される挿入溝を有し、
上記第１支持部及び上記第２支持部は、上記挿入溝の長手方向の両側面と連続する面を有するように設けられることを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
上記放熱板は、上記第１支持部に隣接する平行な細長い開口を上記取付面に含むスロットを有し、
上記第２支持部は、上記第１支持部のスロット側の支持面を支持する支持部材が上記スロットを介して挿入された状態で、上記変形前の第２支持部を上記第１支持部の方向に押圧することによって形成されることを特徴とする請求項２に記載の電力用半導体装置。
上記放熱板は、
上記取付面に形成され、上記伝熱板が挿入される挿入溝を有し、
上記挿入溝は、
上記伝熱板と当接する第１面部と、
上記第１面部と対向する第２面部とを有し、
上記第２面部は、上記挿入溝の深さ方向に上記第２面部の近傍が押圧されることによって、上記第１面部に上記伝熱板を押し付けるように塑性変形していることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置。
上記伝熱板は、変形した上記第２支持部と当接する部分に、変形した上記第２支持部と係合する変形部分を有することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
上記半導体モジュールは、上記モジュール基板を挟んで上記放熱板とは反対側にのみ配置される端子を有することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
上記放熱板は、上記放熱面に、上記放熱面の近傍を流れる熱媒体の流路中に突出する複数の放熱フィンを有することを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板を有する複数の電力用の半導体モジュールと、
上記モジュール基板に固定される伝熱性の伝熱板と、
放熱面から熱を放散し、上記放熱面に対向する取付面に上記伝熱板が立設される放熱板と、
上記放熱板の上記取付面に、上記伝熱板を挟持する第１支持部及び第２支持部とを備える電力用半導体装置の製造方法であって、
上記第１支持部及び第２支持部の間に上記伝熱板を垂直に取り付けるステップと、
上記第２支持部を押圧することによって、上記第２支持部が挟持された上記伝熱板を上記第１支持部側に押し付けるように、上記第２支持部を塑性変形させるステップとを含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。
使用時に発熱する電力用の半導体素子と、上記半導体素子と接触する伝熱性のモジュール基板を有する複数の電力用の半導体モジュールと、
上記モジュール基板に固定される伝熱性の伝熱板と、
放熱面から熱を放散し、上記放熱面に対向する取付面に上記伝熱板が立設される放熱板と、
上記放熱板の上記取付面に形成され、上記伝熱板が挿入される挿入溝とを備え、
上記挿入溝は、上記伝熱板と当接する第１面部と、上記第１面部と対向する第２面部とを有する電力用半導体装置の製造方法であって、
上記挿入溝に上記伝熱板を垂直に取り付けるステップと、
上記第２面部の近傍を押圧することによって、上記第２面部が挟持された上記伝熱板を上記第１面部側に押し付けるように、上記第２面部を塑性変形させるステップとを含むことを特徴とする電力用半導体装置の製造方法。