JP2010192708A - 半導体パワーモジュール、電力変換装置、および、半導体パワーモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鍛造ヒートシンクのピンフィンの長さを均一化し、半導体パワーモジュールの反りを防止する。
【解決手段】銅材の鍛造により、ベース３０４、台座３０２およびフィン３０５からなるヒートシンク３０を一体成形して製造する。このとき、ベース３０４の周辺部には、ストレートフィン３０５ａを形成し、ベース３０４の中央部には、テーパフィン３０５ｂを形成する。そして、ベース３０４のフィン３０５が形成された面には、鍛造された銅材よりも硬い小球によるショットブラスト加工を施す。次に、こうして製造したヒートシンク３０の上面にＩＧＢＴ１ａおよびダイオード１ｂを搭載した絶縁基板４を金属接合して、半導体パワーモジュール２０を製造する。さらに、その製造した半導体パワーモジュール２０を、冷却水流路１９が形成された電力変換装置の筐体壁１２ａに取り付け、そのフィン３０５が冷却水流路１９に水没するようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴという）などの電力用半導体素子が搭載された半導体パワーモジュール、半導体パワーモジュールが搭載された電力変換装置、および、半導体パワーモジュールの製造方法に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載されている電力変換装置に用いられる半導体パワーモジュールは、発熱量が大きいため効率よく冷却する必要があるが、その冷却手段として液体冷却が有効である。その液体冷却では、通常、半導体パワーモジュールに、例えば、熱伝導グリースなどを介して放熱フィンが接着され、その放熱フィンが冷却水の流路の中に浸される。ところが、熱伝導グリースは、金属に比べ熱抵抗が高いという欠点を有している。

これに対して、より高い冷却能力を確保するために、熱伝導グリースを介することなく冷却部に熱を伝達する直接冷却方式の半導体パワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２など）。

その直接冷却方式の半導体パワーモジュールによれば、ヒートシンクの上面に絶縁層を介して電力用半導体素子が直接搭載され、かつ、ヒートシンクの下面に放熱フィンが設けられる。このとき、冷却水の流路の上面の開口部がヒートシンクの下面によって覆い塞がれている構造であるので、ヒートシンクの下面は、冷却水に直接に接触することになり、ヒートシンクの冷却効果が向上する。

この場合、ヒートシンクの材料としては、Ａｌ−ＳｉＣに代表される低熱膨張性の複合材（他に、ＳｉＣ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎｉ−Ｆｅなど）や高熱伝導材料（Ｃｕ、Ａｌ）などが用いられるのが一般的である。しかしながら、前記複合材は、熱伝導率がｌ５０〜３００Ｗ／ｍＫであるため、純銅（Ｃｕ）に比べ熱伝導率が低く、さらには、製造プロセスの複雑さからコスト高になるという問題点がある。

そこで、特許文献１には、ヒートシンクに安価で熱伝導性がよい銅（Ｃｕ）を主成分として他の金属を含有する合金を用いる例が開示されている。しかしながら、特許文献１によれば、その放熱フィンは、ヒートシンクのベースにロー付けされる構造となっている。従って、その放熱フィンの冷却性能は、ロー付け部での熱抵抗のために、例えば、純銅をベースに一体成形された放熱フィンに比べると低くならざるを得ない。

例えば、特許文献３には、ヒートシンクのベースとフィンを接合する方法として圧入する技術が開示されているが、ベースとフィンとを一体成形していないために、接合部分に隙間ができやすく、その隙間によって冷却性能が落ちるという問題がある。

また、ヒートシンクのベースとフィンとを一体成形する方法としては、特許文献４には銅粉末をプレス成形する方法が、また、特許文献５には銅粉末からバインダを用いて射出成形をする方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では、粉末から成形するために、熱伝導率が純銅板材よりも低くなり、さらには、ボイドが発生するなどの問題がある。

ヒートシンクのベースとフィンを一体成形する他の方法として、切削加工法や鍛造加工法（例えば、特許文献６）が知られている。これらの方法は、ヒートシンクとして高い冷却性能を得ることができるという意味では、いずれも優れた方法である。しかしながら、切削加工法は、量産に不向きな方法である。また、鍛造加工法は、その適用実績が少ないために、例えば、半導体パワーモジュールのヒートシンクのベースとして十分な大きさの銅板全体にピンフィン（ピン型のフィン）を均一に形成することが難しい、などの技術課題が認識もされず、その解決策も示されていないのが現状である。

特開２００７−２９５７６５号公報 特開２００５−１９１５０２号公報 特開２００２−１８５３８号公報 特開２００５−２６２５５号公報 特開平９−３５１０号公報 特開平６−２２４３３５号公報

例えば、電力変換装置の６ｉｎ１パワーモジュールなどに用いられるフィン付のヒートシンクの場合、そのベースサイズは、１０ｃｍ×１０ｃｍを超える大きなものとなる。そのようなフィン付のヒートシンクを、実際に銅を鍛造して製造してみれば分かるように、どうしてもベース中央部に形成されるフィン（以下、本明細書では、とくに断らない限り、フィンはピンフィンであるとする）は、長くなりがちで、また、周辺部に形成されるフィンは、短くなりがちである。すべてのフィンの長さを揃えるのは難しい。

さらに、このような大面積のヒートシンクのベース上には、電力用半導体素子が搭載された絶縁基板がハンダなどの金属接合によって貼り合わせられる。その場合、銅材のヒートシンクのベースとセラミックスなどの絶縁基板の線膨張係数の差により、前記金属接合後に、ベースが基板側に凸に反ってしまうという現象が生じる。

以上のような技術的な問題に鑑み、本発明の目的は、例えば、１０ｃｍ×１０ｃｍを超えるような大きなベースサイズの鍛造フィン付きヒートシンクであっても、そのピンフィンの長さを均一化することができ、かつ、ベースの反りを防止することが可能なフィン付きヒートシンクを備えた半導体パワーモジュールおよびその製造方法を提供するとともに、その半導体パワーモジュールを用いた電力変換装置を提供することにある。

本発明に係る半導体パワーモジュールは、複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板と前記複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクとを含んでなる半導体パワーモジュールであって、所定の形状の雌金型に投入した金属材を所定の形状の雄金型により押圧して加工する鍛造加工により、平板状のベースの片面に複数の放熱フィンが一体的に形成されたヒートシンクと、前記複数の電力用半導体素子が搭載された絶縁基板とが、前記ヒートシンクのベースの放熱フィンが形成された面と反対側の面に、金属接合されたものであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る半導体パワーモジュールは、前記複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板を金属接合する前に、前記ヒートシンクのベースの放熱フィンが形成された面に、前記金属材よりも硬い小球を投射するショットブラスト加工を施したものである。また、本発明に係る半導体パワーモジュールは、そのヒートシンクに一体的に形成される放熱フィンが、その断面形状が略円形状のピンフィンであるものとし、そのヒートシンクのベースの外周部には、先端部分のフィン径と根本部分のフィン径とが略同じであるようなピンフィンが形成され、ベースの中央部側には、先端部分のフィン径が根本部分のフィン径よりも小さくなるようなピンフィンが形成されているものである。

本発明によれば、電力変換装置に用いられる半導体パワーモジュールの鍛造ヒートシンクのピンフィンの長さを均一化することができ、かつ、ヒートシンクのベースの反りを防止することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図の例を示した図。 本発明の実施形態に係る電力変換装置筐体の内部構造の例を示した図。 本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールが電力変換装置の筐体に取り付けられた様子を模式的に示した図。 本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールの分解図の例を示した図。 本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールで用いられるヒートシンクの下面を上にして見た場合の斜視図の例を示した図。 銅を鍛造してヒートシンクを製造した場合に形成されるＡ部フィン群におけるフィンの長さの分布の例を示した図。 本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールで用いられるヒートシンクの鍛造工程の例を示した図。 本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールで用いられるヒートシンクの鍛造工程の第１の変形例を示した図。 本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールで用いられるヒートシンクの鍛造工程の第２の変形例を示した図。 本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールで用いられるヒートシンクの鍛造工程の第３の変形例を示した図。 本発明の実施形態の第３の変形例の鍛造工程によって製造されたヒートシンクを用いた半導体パワーモジュールが電力変換装置の筐体に取り付けられた様子を模式的に示した図。 本発明の実施形態の第４の変形例に係る半導体パワーモジュールが電力変換装置の筐体に取り付けられた様子を模式的に示した図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図である。図１に示すように、電力変換装置２００は、バッテリ１３６とモータジェネレータ１９２とに接続されて、バッテリ１３６から供給される直流電流を３相の交流電流に変換して、モータジェネレータ１９２へ供給する装置である。

本実施形態に係る電力変換装置２００は、バッテリ１３６から供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサモジュール５００と、直流電流から３相の交流電流を生成するためのインバータ装置１４０を含んで構成される。また、インバータ装置１４０は、３つの上下アーム直列回路１５０からなるインバータモジュール１４４と、それを制御する制御モジュール１７０と、を含んで構成されている。

インバータモジュール１４４において、上下アーム直列回路１５０のそれぞれは、ＩＧＢＴ１ａとダイオード１ｂとの並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上下アーム直列回路１５０の上下端は、それぞれ、バッテリ１３６の正極および負極に接続される。そして、その上側（正極側）に配置されたＩＧＢＴ１ａとダイオード１ｂとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、上アームとして動作し、下側（負極側）に配置されたＩＧＢＴ１ａとダイオード１ｂとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる、下アームとして動作する。

インバータモジュール１４４は、このような上下アーム直列回路１５０が３組設けられた、いわゆる、３相ブリッジ回路によって構成される。そして、それぞれの上下アーム直列回路１５０の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分からは、３相の交流電流ｕ，ｖ，ｗが出力され、その出力された３相の交流電流ｕ，ｖ，ｗは、モータジェネレータ１９２へ供給される。

また、制御モジュール１７０は、インバータモジュール１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ制御信号を供給する制御回路１７２と、を含んで構成される。ここで、ドライバ回路１７４から出力される信号は、インバータモジュール１４４の上アームおよび下アームの各ＩＧＢＴ１ａに供給され、そのスイッチング動作を制御して、各上下アーム直列回路１５０から出力される交流電流ｕ，ｖ，ｗの振幅や位相などを制御する。

制御回路１７２は、インバータモジュール１４４における各ＩＧＢＴ１ａのスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータを備えている。そのマイクロコンピュータには、入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２へ供給する電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置などが入力される。

これらの入力情報のうち、目標トルク値は、図示しない上位の制御装置から出力された指令信号に基づく。また、電流値は、各上下アーム直列回路１５０から出力される交流電流の電流値を検出する電流センサ１８０の検出信号に基づく。また、磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた図示しない回転磁極センサの検出信号に基づく。

また、制御モジュール１７０は、過電流、過電圧、過温度などの異常検知を行う機能を有し、上下アーム直列回路１５０を保護している。ちなみに、各アームのＩＧＢＴ１ａのエミッタ電極は、ドライバ回路１７４に接続され、ドライバ回路１７４は、それぞれのＩＧＢＴ１ａごとにエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知されたＩＧＢＴ１ａについては、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。

また、制御回路１７２には、上下アーム直列回路１５０に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路１５０の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度、過電圧などの異常を検知する。そして、過温度、過電圧などの異常を検知した場合には、全てのＩＧＢＴ１ａスイッチング動作を停止させ、インバータモジュール１４４全体を過温度、過電圧などの異常から保護する。

なお、以上に示した電力変換装置２００において、ＩＧＢＴ１ａおよびダイオード１ｂからなる電流スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いて構成してもよい。また、インバータモジュール１４４は、２つの上下アーム直列回路１５０を含んで構成され、２相の交流電流を出力するものとしてもよい。さらに、電力変換装置２００は、図１の回路構成とほとんど同様に構成される３相（２相）の交流電流を直流電流に変換する装置であってもよい。

図２は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図の例を示した図である。図２に示すように、電力変換装置２００は、機械構造的には、上部ケース１０、筐体１２および下部ケース１６によって構成される。

本実施形態の場合、筐体１２の内部には、２つのインバータモジュール１４４が収納されている。そして、筐体１２の上部には、制御モジュール１７０などが収納された上部ケース１０が取り付けられ、また、筐体１２の下部には、コンデンサモジュール５００が収納された下部ケース１６が取り付けられている。

また、筐体１２の内部には、インバータモジュール１４４を冷却するための図示しない冷却水流路が形成されている。そして、筐体１２の１つの側壁には、その冷却水流路に冷却水を供給するための冷却水入口配管１３と、インバータモジュール１４４により温められた冷却水を冷却水流路から排出するための冷却水出口配管１４と、が設けられている。

また、筐体１２の他の側壁には、２つのインバータモジュール１４４に対応して２つの交流ターミナルケース１７が設けられている。そして、そのそれぞれの交流ターミナルケース１７には、３相の交流電流ｕ，ｖ，ｗに対応する３本の交流ターミナル１８が保持されている。さらに、上部ケース１０の１つの側壁には、制御モジュール１７０が上位システムなどの外部装置と信号の送受信を行うための信号線を保持したコネクタ２１が設けられている。

図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置２００の筐体１２の内部構造の例を示した図である。図３に示すように、筐体１２の内部には、ダイキャストなどで形成された冷却水流路１９が設けられている。冷却水流路１９の上部は、開口部となっており、その開口部は、その上部に配置される２つの半導体パワーモジュール２０によって塞がれる。このとき、筐体１２の構造体と半導体パワーモジュール２０との間には、オーリング１５が挟み込まれ、オーリング１５は、冷却水が冷却水流路１９から漏出するのを防止する。

ここで、半導体パワーモジュール２０とは、ヒートシンクが付加されたインバータモジュール１４４を指すが、現実は、ヒートシンクのベース上にインバータモジュール１４４が坦持された構造をしている。従って、本実施形態の場合、ヒートシンク自体が冷却水流路１９の上部の開口部を塞ぐ役割を担っている。なお、半導体パワーモジュール２０の物理的な構造については、別途図面を参照して詳しく説明する。

さらに、図３に示すように、冷却水入口配管１３から供給された冷却水は、冷却水流路１９の部分（ａ）から部分（ｂ）を経て、部分（ｃ）へ流れ込み、部分（ｄ）を経て、冷却水出口配管１４から排出される。ここで、冷却水流路１９の部分（ａ）と部分（ｂ）との間は、筐体１２の構造体に設けられたトンネルを介してつなげられ、また、冷却水流路１９の部分（ｃ）と部分（ｄ）との間は、同様に、筐体１２の構造体に設けられたトンネルを介してつなげられている。

また、半導体パワーモジュール２０の周縁部には、その上部に配置される制御モジュール１７０や、筐体１２の側壁に設けられる交流ターミナルケース１７との間を接続するための電流線や信号線の電極などが設けられている。

図４は、本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュール２０が電力変換装置２００の筐体１２に取り付けられた様子を模式的に示した図である。図４に示すように、半導体パワーモジュール２０は、フィン３０５を有するヒートシンク３０（銅など熱伝導率の高い金属からなる）のベース３０４上に、電力用半導体素子であるダイオード１ｂ、ＩＧＢＴ１ａなどの発熱素子１が搭載された絶縁基板４が金属接合されて構成される。

ここで、絶縁基板４は、セラミック基板であってもよく、薄い絶縁シートであってもよい。絶縁基板４の上面には、配線層としての基板上金属導体板３が形成され、その基板上金属導体板３の上部には、素子下ハンダ２を介してダイオード１ｂ、ＩＧＢＴ１ａなどの発熱素子１が接合される。また、絶縁基板４の下面には、基板下金属導体板５が形成され、絶縁基板４は、基板下金属導体板５および基板下ハンダ６を介して、ヒートシンク３０のベース３０４に金属接合される。

ヒートシンク３０は、ベース３０４、台座３０２およびフィン３０５によって構成されるが、本実施形態では、これらを銅の鍛造により一体成型する。一体成型することにより、フィン３０５をベース３０４にロー付けする必要がなくなるので、フィン３０５を含むヒートシンク３０の放熱性能が向上するとともに、その生産性も向上する。

また、ヒートシンク３０は、鍛造によって成形されるので、その材料が柔らかい金属の銅であっても、ベース３０４のビッカース硬度をＨｖ５０以上とすることが可能となり、温度サイクルによって生ずるベース３０４のラチェット変形を抑制し、ベース３０４と電力変換装置２００の筐体壁１２ａとのシール性を向上させることができる。

また、絶縁基板４は、熱伝導グリースでなく金属であるハンダ（基板下ハンダ６）によりベース３０４に接合されるので、発熱素子１で発生する熱を効率よくベース３０４へ伝導させることができ、加えて、ベース３０４、台座３０２およびフィン３０５は、一体成形されているので、フィン３０５までの熱伝導性を向上させることができる。

さらに、図４に示すように、電力変換装置２００の筐体１２の筐体壁１２ａには、その上面が開口した冷却水流路１９が形成されている。半導体パワーモジュール２０が筐体壁１２ａに取り付けられると、冷却水流路１９の上面の開口部は、ベース３０４によって塞がれるとともに、フィン３０５は、冷却水流路１９に突出した状態となる。このとき、フィン３０５および台座３０２は、冷却水流路１９を流れる冷却水に直接接触することになり、効率よく冷却される。

半導体パワーモジュール２０は、ベース３０４の周縁部に設けられた図示しないボルト穴などを介して、筐体壁１２ａにボルト止めされる。そのとき、冷却水流路１９の周囲には、オーリング１５が挟み込まれ、オーリング１５により冷却水流路１９をシールする。

なお、本実施形態では、シール材をオーリング１５としているが、オーリングの代わりに樹脂材・液状シール・パッキンなどを用いてもよい。

また、本実施形態では、フィン３０５は、放熱効率のよい円形ピン型フィン（以下、ピンフィンという）であるとする。図４には、フィン３０５について、ストレートフィン３０５ａおよびテーパフィン３０５ｂの区別があることが示されているが、その詳細については後記する。

なお、フィン３０５は、円形ピン型に限定されず、楕円ピン型や平板フィンやコルゲート型フィンであってもよい。円形ピン型や楕円ピン型のフィン３０５を用いた場合には、冷却効率を向上させることができるのに対し、平板フィンやコルゲート型フィンを用いた場合には、冷却水を流すための圧力損失を低減させることができる。

図５は、本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュール２０の分解図の例を示した図である。図５を用いて、半導体パワーモジュール２０の製造方法について、その概略を説明する。

半導体パワーモジュール２０を製造する場合には、まず、上面および下面に金属導体板（基板上金属導体板３および基板下金属導体板５）が形成された絶縁基板４を用意し、その絶縁基板４上にダイオード１ｂやＩＧＢＴ１ａなどを、ハンダ（素子下ハンダ２）を用いて接合する。その接合などの工程は、一般に周知の技術であるので、ここではその説明を省略する。

次に、別途、銅を鍛造して製造したヒートシンク３０を用意する。前記したように、ヒートシンク３０は、ベース３０４、台座３０２およびフィン３０５が一体成形されたものである。本実施形態では、鍛造後のヒートシンク３０のベース３０４に対し、図５に示すような初期反りを付与する。すなわち、ベース３０４は、絶縁基板４を接合する面側が凹状に反ったものとなる。

次に、ダイオード１ｂやＩＧＢＴ１ａなどが搭載された前記の絶縁基板４を、初期反りが付与されたヒートシンク３０のベース３０４に、ハンダ（基板下ハンダ６）などを用いて金属接合する。その金属接合に際しては、絶縁基板４もベース３０４もハンダの溶解温度近くまで熱くなるが、常温に戻った場合には、絶縁基板４の線膨張係数よりもベース３０４の線膨張係数が大きいために、ベース３０４のほうが大きく収縮する。従って、接合された絶縁基板４およびベース３０４は、常温に戻るとき、いわゆる「バイメタル」と同様の原理により、絶縁基板４側に凸になるような応力が発生する。その結果、常温時には、その反りがなくなり、ベース３０４の上面は平坦な面となる。

なお、ベース３０４にあらかじめ付与する初期反り量は、常温時に戻ったときにその初期反り量がなくなるように、実験や試作などによって、適宜、定められるものとする。

また、ヒートシンク３０は、鍛造後、初期反りを付与する前に、そのベース３０４の上面が平坦な状態で、ベース３０４の周縁部に設けられる固定用のボルト穴の穴あけなどの切削加工が施される。そして、基板下ハンダ６の濡れ性を高めるためにベース３０４の上面に形成された酸化物などを除去する工程が実施され、その後、初期反りを付与する工程へと進行する。

ベース３０４に初期反りを付与する方法としては、希望する曲率を有する金型を用いてベース３０４をプレス矯正する方法や、粒径が４０μｍ〜１．３ｍｍ程度で、ビッカース硬度がＨｖ３００以上の小球を、ベース３０４の下面（フィン３０５側の面）に投射し、ショットブラスト効果により反りを付与する方法（以下、ショットブラスト加工またはサンドブラスト加工という）がある。

プレスで初期反り矯正する方法には、金型の寿命を考慮しなければならない管理の問題や、反り量の微調整が困難であるという問題が生じる。それに対して、粒径が４０μｍ〜１．３ｍｍ程度で、ビッカース硬度がＨｖ３００以上の小球を、ベース３０４の下面に投射するショットブラスト加工の場合には、絶縁基板４が接合されるベース３０４の上面を傷つけることなく、ベース３０４に初期反りを付与することができ、かつ、その初期反りを細かく調整することができる。そこで、本実施形態では、初期反りを付与する方法として、後者のショットブラスト加工を採用したが、前者のプレスで矯正する方法であってもよい。

以上のようにしてヒートシンク３０のベース３０４に初期反りを付与しておけば、ベース３０４の上面にダイオード１ｂやＩＧＢＴ１ａなどが搭載された絶縁基板４を金属接合して半導体パワーモジュール２０を製造した後には、前記した原理により、反りのない半導体パワーモジュール２０が得られる。

図６は、本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュール２０で用いられるヒートシンク３０の下面を上にして見た場合の斜視図の例を示した図である。なお、このヒートシンク３０は、初期反りが付与される前のものであるとする。

図６に示すように、実施形態では、ヒートシンク３０の鍛造を容易にするために、フィン３０５と台座３０２との間で、フィン３０５の根本部分に丸み（以下、この丸み部分を根元Ｒ３０６という）が設けられている。

また、ベースの３０４のフィン３０５が設けられた面のフィン３０５が設けられた領域を除く部分については、冷却水流路１９のシール性、つまり、オーリング１５との密着性を向上させるために、フライス加工が施されている。そのため、フィン３０５が設けられた領域には、台座３０２が残った形状となっている。そして、そのフライス加工では、半導体パワーモジュール２０を筐体壁１２ａに取り付けるためのボルト穴３０７も、併せて切削される。

ところで、ヒートシンク３０のベース幅３０８やベース長３０９は、絶縁基板４上に搭載される発熱素子１（ダイオード１ｂおよびＩＧＢＴ１ａ）の大きさに直流電流や交流電流の電極端子の大きさを合わせたものなどによって決まる。ちなみに、３相ブリッジのインバータモジュール１４４の場合、１つの半導体パワーモジュール２０には全１２素子（２素子×３相×２アーム）が搭載される。

そして、その搭載されるダイオード１ｂのサイズが１２．５ｍｍ×７．３ｍｍ、ＩＧＢＴ１ａのサイズが１４ｍｍ×１２．５ｍｍである場合には、そのベース幅３０８は、１４５ｍｍ程度、ベース長３０９は、１３０ｍｍ程度となる。また、ダイオード１ｂのサイズが１０ｍｍ×７．０ｍｍ、ＩＧＢＴ１ａのサイズが１０ｍｍ×１０ｍｍである場合には、そのベース幅３０８は、１００ｍｍ程度、ベース長３０９も１００ｍｍ程度となる。

以上のように、全１２素子（２素子（ＩＧＢＴ１ａ＋ダイオード１ｂ）×３相×２アーム）からなる３相ブリッジのインバータモジュール１４４が、物理的に一体構成された半導体パワーモジュールは、しばしば、６ｉｎ１パワーモジュールと呼ばれる。

図７は、銅を鍛造してヒートシンク７０を製造した場合に形成されるＡ部フィン群におけるフィン３０５の長さの分布の例を示した図である。ここで、Ａ部フィン群とは、図６において、点線で囲った領域（Ａ部）に含まれるフィンをいう。また、その領域（Ａ部）に含まれるフィン３０５は、すべてストレートフィン３０５ａであるとする。ストレートフィン３０５ａとは、円形のピンフィンであって、ピンフィンの根元部分（根元Ｒ３０６部分を除く）の直径と先端部分の直径がほぼ同じであるようなピンフィンをいう。

ヒートシンク７０の鍛造については、図８以下の図を参照して詳しく説明するが、一般に、鍛造においては、上からプレスする力が、ベース３０４の中央部に集中し、周辺部で弱くなりがちである。そのため、フィン３０５の長さは、図７に示すように、ベース３０４の中央部に設けられたフィン３０５で長くなり、ベース３０４の周辺部に設けられたフィン３０５で短くなることが分かる。とくに、ベース面積の大きい３相ブリッジ構成の６ｉｎ１のパワーモジュールの場合、フィン３０５の長さにばらつきが生じやすい。

長さにばらつきのあるフィン３０５が冷却水流路１９に突出した場合、フィン３０５の間を流れる冷却水の流速分布にもばらつきを生じるとともに、冷却水に接触しているフィン３０５の表面積が不均一となり、その結果、フィン３０５ごとの冷却性能が不均一となる。フィン３０５ごとの冷却性能が不均一となった場合には、全体のフィン３０５の総冷却性能も低下する。

フィン３０５の長さを揃える一般的な方法として、鍛造後に、その長さが不揃いのフィン３０５に対して、フライス加工やエンドミル加工などの機械加工を施す方法がある。しかしながら、本実施形態のように、フィン３０５が細長いピンフィンの場合には、その機械加工によって、フィン３０５が倒れたり、破損したりすることが多くなる。また、機械加工の加工時間は、一般に、長い時間を要し、かつ、その加工コストも増大する。

そこで、本実施形態では、長さが長くなりがちなベース３０４の中央部のフィン３０５をテーパフィン３０５ｂで形成し、長さが短くなりがちな周辺部のフィン３０５をストレートフィン３０５ａで形成することによって、鍛造されたフィン３０５の長さが均一になるようにする。ここで、テーパフィン３０５ｂとは、円形のピンフィンであって、ピンフィンの根本部分（根元Ｒ３０６部分を除く）の直径よりも先端部分の直径を小さくしたような円形のピンフィンをいう。

一般に、鍛造によるピンフィン形成時に、上部から同じ力が加えられた場合には、テーパフィン３０５ｂよりもストレートフィン３０５ａのほうが長く形成される。その理由については、後記するが、この現象を利用すれば、上からプレスする力が集中するベース３０４の中央部のフィン３０５をテーパフィン３０５ｂで形成し、プレスする力が弱まる周辺部のフィン３０５をストレートフィン３０５ａで形成すれば、中央部に形成されるテーパフィン３０５ｂの長さと、周辺部に形成されるストレートフィン３０５ａの長さと、を略々揃えることができる。

以上のように、本実施形態では、鍛造した結果として、ベース３０４に形成されるフィン３０５の長さを揃えることができるので、鍛造後に、フィン３０５に対して機械加工を施す必要がない。従って、フィン３０５を備えたヒートシンク３０の製造効率は向上するとともに、その製造コストは低減される。

図８は、本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュール２０で用いられるヒートシンク３０（３０ｃ）の鍛造工程の例を示した図である。本実施形態では、フィン３０５を備えたヒートシンク３０（３０ｃ）を鍛造加工によって製造する。

まず、図８（ａ）に示すように、フィン３０５の形状をした穴部８０５が形成された雌金型８０１（プレス支え側）に母材となる銅材を入れ、雄金型８０２（プレス側）でプレスする。そうすると、銅材は、雌金型８０１の穴部８０５に圧入されるとともに、ヒートシンク３０のベース３０４およびフィン３０５が形成される。このとき、雌金型８０１の周辺部の穴部８０５ａは、その上部（入口部）の径も下部（底部）の径も同じように形成されている。一方、雌金型８０１の中央部の穴部８０５ｂは、その径が上部（入口部）から底部に行くに連れて次第に小さくなるように形成されている。すなわち、穴部８０５ｂの内壁は、垂直面に対して微小な傾斜角、いわゆるテーパ角を有している。

つまり、穴部８０５ｂの内壁は、垂直な内壁に対して、底部に行くほど径が小さくなるようなテーパ角を有しているので、その内壁は、圧入される銅材にとって抵抗として作用する。従って、上部から同じプレス力を受けた場合、テーパ角を有する穴部８０５ｂに圧入される銅材の長さは、テーパ角がない（つまり、垂直な）内壁を有する穴部８０５ａに圧入される銅材の長さよりも短く形成される。

従って、雌金型８０１の周辺部には、垂直な内壁を有する穴部８０５ａを形成し、雌金型８０１の中央部には、テーパ角を有する穴部８０５ｂを形成しておけば、ヒートシンク３０ａのフィン３０５の長さは、略々同じ長さになる。

なお、穴部８０５ｂのテーパ角はすべてが同じである必要はなく、例えば、実験や試作の結果に基づき、そのテーパ角を穴部の位置により適切な値に調整すれば、ヒートシンク３０ａのフィン３０５の長さを、より均一化することができる。

次に、以上のようにして鍛造されたヒートシンク３０ａは、ノックアウトピン８０３によって雌金型８０１から押し出され、取り出される（図８（ｂ）参照）。そして、その取り出されたヒートシンク３０ａに対して、フライス加工が施されるが、そのフライス加工により、ベース３０４の上面の全体が滑らかに平坦化され、かつ、ベース３０４の下面のフィン３０５が形成されていない領域が滑らかに平坦化されたヒートシンク３０ｂが得られる（図８（ｃ）参照）。なお、このフライス加工に際しては、台座３０２が形成されるとともに、必要に応じてボルト穴３０７（図６参照）が切削加工されて形成される。

次に、ヒートシンク３０ｂのベース３０４の下面（フィン３０５が形成された面）に、粒径が４０μｍ〜１．３ｍｍ程度で、ビッカース硬度がＨｖ３００以上の小球８０４を、小球投射機８００から投射する。ここで、銅のビッカース硬度は、鍛造してもＨｖ３００にははるかに及ばない（つまり、小球８０４は銅よりも硬い）ので、ベース３０４の下面の表面部が圧縮される。従って、その表面部は、横に延されたような状態となるので、その表面部が凸状、つまり、ベース３０４の上面が凹状になる反りを生じる。その結果、ベース３０４の上面が凹状に反ったヒートシンク３０ｃが得られる。なお、このような加工は、ショットブラスト加工と呼ばれる。

以上のようなショットブラスト加工が施されると、ベース３０４の下面の表面は、絶縁基板４（図４参照）が接合される上面の表面よりも粗くなる。このとき、その表面粗さは、Ｒａ１．０を超えるが、オーリング１５（図４参照）で冷却水流路１９をシールするとき許容される表面粗さＲａ３．２以下に抑えることができる。

以上、本実施形態によれば、ヒートシンク３０のベース３０４に反りのない半導体パワーモジュール２０を得ることができ、さらには、鍛造という量産に適した方法により、ヒートシンク３０のフィン長の均一化を図ることができる。その結果、冷却効率に優れた電力変換装置２００を得ることができる。

このような電力変換装置２００は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として好適であるばかりでなく、電車、船舶、航空機などの電力変換装置、工場設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられる家庭用電力変換装置に対しても適用することができる。

（実施形態の第１の変形例）
図９は、本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールで用いられるヒートシンクの鍛造工程の第１の変形例を示した図である。この実施形態の変形例では、鍛造工程のうち、ショットブラスト加工の工程のみを変形している。すなわち、図９に示すように、この実施形態の変形例では、ヒートシンク３０のベース３０４の下面の台座３０２を除いた部分にマスク９００を設けた後、ショットブラスト加工を施す。そして、ショットブラスト加工終了後、マスク９００を除去する。

このショットブラスト加工では、マスク９００が設けられた部分には、小球８０４が直接には当たらないので、その表面の表面粗さが悪化することはない。従って、電力変換装置２００の筐体壁１２ａ（図４参照）に設けられた冷却水流路１９の上部の開口部をベース３０４によって塞ぐ場合、筐体壁１２ａとベース３０４との密着性、シール性が向上する。そして、オーリング１５で冷却水流路１９をシールする場合に好適である。

（実施形態の第２の変形例）
図１０は、本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールで用いられるヒートシンクの鍛造工程の第２の変形例を示した図である。図１０に示すように、この実施形態の変形例では、雄金型８０２ａ（プレス側）が小さく、プレスは、２回に分けて実施される。このような鍛造加工は、鍛造のプレス機のプレス力が比較的小さい場合に好適である。

この実施形態の変形例では、フィン３０５形成用の穴部８０５は、雄金型８０２ａに設けられている。その場合、雄金型８０２ａの中央部にプレス力が集中しやすいことを考慮して、雄金型８０２ａの周辺部には、テーパ角のない（つまり、垂直な）内壁を有する穴部８０５ａを設け、雄金型８０２ａの中央部には、テーパ角のある内壁を有する穴部８０５ｂを設ける。

そして、図１０（ａ）に示すように、雌金型８０１ａに母材となる銅材を入れ、雄金型８０２ａで第１回目のプレスを実行する。このプレスによりヒートシンク３０ｄの第１群（図面左側グループ）のフィン３０５が形成される。このとき形成されるフィン群の周辺部には、ストレートフィン３０５ａが形成され、中央部には、テーパフィン３０５ｂが形成され、それらのフィンの長さは、略々同じになる。

次に、同じ雄金型８０２ａで第２回目のプレスを実行し、第２群（図面右側グループ）のフィン３０５が形成される（図１０（ｂ）参照）。この場合も、形成されるフィン群の周辺部には、ストレートフィン３０５ａが形成され、中央部には、テーパフィン３０５ｂが形成される。

以下、前記した実施形態と同様であるが、以上のようにして鍛造されたヒートシンク３０ｄは、ノックアウトピン８０３によって雌金型８０１から取り出される（図１０（ｃ）参照）。そして、その取り出されたヒートシンク３０ｄに対して、適宜、フライス加工が施され（図１０（ｄ）参照）、さらに、フライス加工されたヒートシンク３０ｅに対して、ショットブラスト加工が施される（図１０（ｅ）参照）。

以上のようにして、前記した実施形態（図８参照）の場合と同様のヒートシンク３０ｅを得ることができるが、本変形例の場合には、ベース３０４の中央部にもストレートフィン３０５ａが形成される点で、前記した実施形態とは相違している。

（実施形態の第３の変形例）
図１１は、本発明の実施形態に係る半導体パワーモジュールで用いられるヒートシンクの鍛造工程の第３の変形例を示した図である。本実施形態の変形例の鍛造工程では、台座３０２が形成されないことを特徴とする。

まず、図８で説明した鍛造工程の場合と同様に、雌金型８０１ｂに母材となる銅材を入れ、雄金型８０２ｂでプレスし、原型のヒートシンク３０ｆを鍛造する（図１１（ａ）参照）。次に、ノックアウトピン８０３によって、原型のヒートシンク３０ｆを押し出して、取り出す（図１１（ｂ）参照）。この原型のヒートシンク３０ｆの形状では、フィンが設けられていないベース領域３０６が厚く形成される。この点は、図８で説明した鍛造工程で形成されるヒートシンク３０ａと相違する。

次に、前記原型のヒートシンク３０ｆにフライス加工を施し、この実施形態の変形例で定める所定の形状のヒートシンク３０ｇを得る（図１１（ｃ）参照）。すなわち、そのフライス加工では、まず、ベース３０４のうち、厚く形成されたベース領域３０６の部分が切削され、さらに、ベース３０４のフィン３０５が形成されていない面が切削され、ベース３０４が全体として薄く加工される。その後、ヒートシンク３０ｇに対し、前記した実施形態と同様のショットブラスト加工が施され、ベース３０４に反りが付加される（図１１（ｄ）参照）。

図１２は、以上に説明した本発明の実施形態の第３の変形例の鍛造工程によって製造されたヒートシンク３０ｇを用いた半導体パワーモジュール２０ａが電力変換装置２００の筐体１２に取り付けられた様子を模式的に示した図である。この構造は、図４に示した模式図とほとんど変わるものではないが、相違といえば、フィン３０５が形成された領域のベース３０４の厚みにある。

すなわち、本実施形態の変形例では、台座３０２が設けられていないので、その分、フィン３０５が形成された領域のベース３０４の厚みは、前記した実施形態（図４参照）の場合よりも小さいといえる。従って、発熱素子１からフィン３０５までの距離は、本実施形態の場合のほうが短いことになるので、その分、熱抵抗が低減され、フィン３０５の放熱効果が向上する。

（実施形態の第４の変形例）
図１３は、本発明の実施形態の第４の変形例に係る半導体パワーモジュール２０ｂが電力変換装置２００の筐体１２に取り付けられた様子を模式的に示した図である。この実施形態の変形例におけるヒートシンク３０ｈは、そのフィン３０５がすべてテーパフィン３０５ｂであることを特徴とする（あるいは、すべてストレートフィンであってもよい）。

その場合には、前記したように、ベース３０４の周辺部のフィンの長さは、ベース３０４の中央部のフィンの長さよりも短く形成されることになる。その場合、冷却水流路１９の深さが中央部でも周辺部でも同じであったときには、周辺部の冷却水流路１９では流路の抵抗が小さくなる。すると、冷却水の流速および流量は、冷却水流路１９の周辺部で大きくなり、その結果、周辺部では、フィン３０５の冷却性能が向上するが、中央部では、フィン３０５の冷却性能が低下し、全体としての冷却性能が低下することになる。

そこで、本実施形態の変形例では、冷却水流路１９の周辺の底部にテーパ部（流路周辺底部１９ａ）を設け、その流路周辺底部１９ａでは、周辺に行くほど、冷却水流路１９が浅くなるようにした。その結果、冷却水流路１９における冷却水の流速および流量の均一化し、フィン３０５の冷却性能の均一化を図ることができる。従って、冷却水の流速および流量の不均一による冷却性能の低下を防止することができる。

１ 発熱素子
１ａ ＩＧＢＴ
１ｂ ダイオード
２ 素子下ハンダ
３ 基板上金属導体板
４ 絶縁基板
５ 基板下金属導体板
６ 基板下ハンダ
１０ 上部ケース
１２ 筐体
１２ａ 筐体壁
１３ 冷却水入口配管
１４ 冷却水出口配管
１５ オーリング
１６ 下部ケース
１７ 交流ターミナルケース
１８ 交流ターミナル
１９ 冷却水流路
１９ａ 流路周辺底部
２０ 半導体パワーモジュール
２１ コネクタ
３０ ヒートシンク
７０ ヒートシンク
１３６ バッテリ
１４０ インバータ装置
１４４ インバータモジュール
１５０ 上下アーム直列回路
１７０ 制御モジュール
１７２ 制御回路
１７４ ドライバ回路
１８０ 電流センサ
１９２ モータジェネレータ
２００ 電力変換装置
３０２ 台座
３０４ ベース
３０５ フィン
３０５ａ ストレートフィン
３０５ｂ テーパフィン
３０６ ベース領域
３０７ ボルト穴
３０８ ベース幅
３０９ ベース長
５００ コンデンサモジュール
８００ 小球投射機
８０１ 雌金型
８０２ 雄金型
８０３ ノックアウトピン
８０４ 小球
８０５ 穴部
９００ マスク

Claims (8)

1. 複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板と前記複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクとを含んでなる半導体パワーモジュールであって、
   所定の形状の雌金型に投入した金属材を所定の形状の雄金型により押圧して加工する鍛造加工により、平板状のベースの片面に複数の放熱フィンが一体的に形成されたヒートシンクと、
   前記複数の電力用半導体素子が搭載された絶縁基板と、
   が前記ヒートシンクのベースの前記放熱フィンが形成された面と反対側の面に、金属接合されたこと
   を特徴とする半導体パワーモジュール。
2. 前記複数の電力用半導体素子が搭載された絶縁基板が金属接合される前の前記ヒートシンクのベースの前記放熱フィンが形成された面に、前記金属材よりも硬い小球を投射するショットブラスト加工が施されたこと
   を特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
3. 前記ヒートシンクのベースに形成された放熱フィンは、その断面形状が略円形状のピンフィンであり、
   前記ベースの外周部側には、先端部分のフィン径と根本部分のフィン径とが略同じであるようなピンフィンが形成され、前記ベースの中央部側には、先端部分のフィン径が根本部分のフィン径よりも小さくなるようなピンフィンが形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
4. 複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板と前記複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクとを含んでなる半導体パワーモジュールを備えた電力変換装置であって、
   前記半導体パワーモジュールは、
   所定の形状の雌金型に投入した金属材を所定の形状の雄金型により押圧して加工する鍛造加工により、平板状のベースの片面に複数の放熱フィンが一体的に形成されたヒートシンクと、
   前記複数の電力用半導体素子が搭載された絶縁基板と、
   が前記ヒートシンクのベースの前記放熱フィンが形成された面と反対側の面に、金属接合されて構成され、
   前記電力変換装置の筐体壁に設けられた冷却水流路に前記放熱フィンが水没するように、前記筐体壁に取り付けられたこと
   を特徴とする電力変換装置。
5. 前記冷却水流路の深さは、前記冷却水流路が設けられた前記筐体壁に取り付けられる前記半導体パワーモジュールの中央部に対応する冷却水流路部分で深く、前記半導体パワーモジュールの周辺部に対応する冷却水流路部分で浅いこと
   を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板と前記複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクとを含んでなる半導体パワーモジュールの製造方法であって、
   所定の形状の雌金型に投入した金属材を所定の形状の雄金型により押圧して加工する鍛造加工により、平板状のベースの片面に複数の放熱フィンが一体的に形成された形状のヒートシンクを製造する工程と、
   前記製造したヒートシンクのベースの前記放熱フィンが形成された面と反対側の面に、前記複数の電力用半導体素子が搭載された絶縁基板を金属接合する工程と、
   を備えたこと
   を特徴とする半導体パワーモジュールの製造方法。
7. 前記複数の電力用半導体素子が搭載された絶縁基板が金属接合される前の前記ヒートシンクに対し、そのヒートシンクのベースの放熱フィンが形成された面に、前記金属材よりも硬い小球を投射するショットブラスト加工を施す工程を、さらに、備えたこと
   を特徴とする請求項６に記載の半導体パワーモジュールの製造方法。
8. 前記ヒートシンクを製造する工程で用いられる前記雌金型または前記雄金型には、その断面形状が略円形状のピンフィンを形成するための略円柱状の穴部が設けられており、
   前記雌金型または前記雄金型に設けられた穴部のうち、外周部側には、その入口部の内径と底部の内径とが略同じであるような穴部が設けられ、中央部側には、その底部の内径が入口部の内径よりも小さくなるような穴部が設けられていること
   を特徴とする請求項６に記載の半導体パワーモジュールの製造方法。